LED bar als egale industriële camera belichting

LED bar als egale industriële camera belichting Thomas Lambrecht

Promotoren: Johan Beke, dhr. Geert Pareyn Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van Master of Science in de industriële wetenschappen: elektronica-ICT

Vakgroep Industrieel Systeem- en Productontwerp Voorzitter: prof. Kurt Stockman Faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur Academiejaar 2013-2014

ii

LED bar als egale industriële camera belichting Thomas Lambrecht

Promotoren: Johan Beke, dhr. Geert Pareyn Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van Master of Science in de industriële wetenschappen: elektronica-ICT

Vakgroep Industrieel Systeem- en Productontwerp Voorzitter: prof. Kurt Stockman Faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur Academiejaar 2013-2014

Voorwoord Ik ben Thomas Lambrecht. Dit is het eindwerk van mijn opleiding: “Master in de Industriële Wetenschappen Elektronica met de minor Embedded System Design”. Ik ben altijd al zeer sterk geïnteresseerd geweest in elektronica, vandaar ook mijn studie keuze. LED technologie leek mij een zeer interessant onderwerp voor een masterproef aangezien deze sterk aan het groeien en aan het vernieuwen is de laatste jaren. Dit onderwerp werd aangeboden door Psicontrol Mechatronics N.V., een dochterbedrijf van de Picanol Group. Voeling krijgen met de werkvloer was voor mij ook een pluspunt voor het kiezen van dit onderwerp. Ik heb zeer veel bijgeleerd met dit onderzoek en deze realisatie. Vooral de werking van licht was volledig nieuw voor mij. Het was ook eens interessant om met een meer industriële blik, een project rond elektronica te maken, waarbij er veel aandacht gaat naar kostprijs, duurzaamheid en produceerbaarheid. Veel dank aan mijn promotoren Johan Beke, Bob Beack en Geert Pareyn voor het helpen slagen van deze thesis. Ook aan het R&D team van Psicontrol Mechantronics N.V. waarbij ik met al mijn vragen terecht kon en tot slot de mensen uit het labo met het helpen bij het solderen van de moeilijkste onderdelen en om mij te helpen op mijn zoektocht naar componenten en materialen. Ik hoop dat deze scriptie veel leesplezier brengt. Thomas Lambrecht, 23/05/2014, Zwevegem

iv

Toelating tot bruikleen De auteur geeft de toelating deze masterproef voor consultatie beschikbaar te stellen en delen van de masterproef te kopiëren voor persoonlijk gebruik. Elk ander gebruik valt onder de beperkingen van het auteursrecht, in het bijzonder met betrekking tot de verplichting de bron uitdrukkelijk te vermelden bij het aanhalen van resultaten uit deze masterproef. Thomas Lambrecht, 23/05/2014, Zwevegem

v

LED driver als uniforme industriële camera belichting door Thomas Lambrecht Promotoren: Johan Beke, dhr. Geert Pareyn Master of Science in de industriële wetenschappen: elektronica‐ICT Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van Vakgroep Industrieel Systeem‐ en Productontwerp Voorzitter: prof. Kurt Stockman Faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur Academiejaar 2013‐2014

vi

LED bar as uniform industrial camera lighting Lambrecht Thomas University of Gent campus Kortrijk, Kortrijk, 8500, Belgium

T

I. INTRODUCTION AND BACKGROUND

HE aim of this study was to improve and/or develop a LED bar to be used as camera lighting. The camera will take pictures of a part of the fabric while it is produced by a weaving loom. The camera and mounting for the LED bar already exists.

3) The light output has to be adjustable The software program which analyses the pictures might notice the pictures are getting brighter or darker as the lights of the factory get turned on and off for example. The software must be able to adjust the light output accordingly. 4) It has to work on a 24V supply The weaving loom has a 24V supply for extra components like this LED bar and camera. 5) The LED bar shouldn’t get too warm An operator shouldn’t burn his fingers when touching the LED bar. 6) The LED bar has to be robust and resistant to vibrations There are a lot of vibrations on a weaving loom and operators have to intervene frequently. These vibrations or an accidental hit on the LED bar shouldn’t break it. 7) The LED bar has to be resistant to dust There is a lot of dust in a weaving mill. This may not affect the functioning of the LED bar.

The camera takes pictures which are 12 centimeters long and 3 centimeters wide. The camera lighting is placed 14 centimeter above the fabric. A software program analyses the picture. II. OBJECTIVES There are a few conditions which the LED bar has to meet: 1) It is supposed to work on fabrics in a wide range of colors White fabrics are the most common color of fabric to be produced by a weaving loom, but there are also colored fabrics. White fabrics reflect light very well, which makes it easy to illuminate them and to take pictures of them. The reflection of light-colored fabric is a little bit worse. But the biggest problem is given by dark-colored fabric like denim. These barely reflect light, which makes it very hard to get good contrast in the picture. 2) The picture needs to be lighted uniformly This is one of the most important objectives of this project. The problem with conventional LED bars is usually their light distributions. The canvas usually illuminated more in the middle which then falls off the sides.

III. IMPLEMENTATION Developing a LED bar: 1) LED’s First of all, there is the choice of LED’s. There are a lot of LED’s on the market in all kinds of shapes, sizes and colors. For this project, a powerful LED was needed which could illuminate both light- and dark-colored fabrics. The choice went to the high power infrared LED: SFH4715S. Secondly, an evenly distributed light had to be created. Calculations determined that the best way to do this is to mount the LED’s as shown in the next figure.

2) Drive circuit The LT3476 was determined to be the best suited LED driver for this project. This LED driver drives a buck converter circuit which powers the LED’s. This LED driver has an analog dimming functionality which is used to adjust the light output of the LED’s. There is also a pulse width modulation functionality to turn the LED’s on and off quickly. This is used turn the LED’s on, the moment a picture is taken. By only turning on the LED’s on the moments when it’s necessary, there is less energy used and less heat created. There is also an extra safety added to the circuits, to prevent the LED’s being tuned on for longer than 500 microseconds. This was added to make sure the LED’s don’t overheat. 3) Design LED bars are usually printed circuits boards with the LED’s and drive circuits soldered on. These printed circuit boards are usually fitted inside a standard LED bar casing. The LED bar for this project is also made that way. The printed circuit board was designed to fit in a LED casing with a width of 12 millimeter.

There are six cables attached to the LED bar. - Two for the power supply - Two for the light output adjustment - Two for the flash trigger Both the light output adjustment and the flash trigger are supposed to be controlled by optocouplers. A pulse width modulation signal has to be used via the first optocoupler to adjust the light output. The LED’s will light up as long as a “HIGH” signal is received via the second optocoupler (The LED’s will turn off after 500 microseconds as a heat safety though).

IV. RESULT There are a few problems with the prototypes. There was a missing pull down resistor which had to be soldered in afterwards. High frequency noise from the power circuit caused the analog dimming to malfunction. This has been completely solved by adding an extra ground plane. Some pins of the LED driver malfunctioned because it has been soldered on the printed circuit board by hand. The analog dimming pin of first prototypes didn’t work and one of the LED drive pins of the second prototype didn’t work, causing only four of the eight LED’s to work. This could be solved remaking the LED bar and using a stencil and an oven to solder its components. After fixing these problems (except for the bad driver pins), tests and measurements showed that all the parts of LED bar do their jobs and work correctly. V. CONCLUSION The prototype might not work completely, but it proved the concept. And with a little work, a fully functional LED bar can be created. The new LED bar has an evenly distributed light that works on all fabrics which is not the case with conventional LED bars.

LED bar als uniforme industriële camera belichting Lambrecht Thomas Universiteit Gent campus Kortrijk, Kortrijk, 8500, België

H

I. INTRODUCTIE EN ACHTERGROND

ET doel van dit onderzoek is het verbeteren en/of creëren van een LED bar om te gebruiken als camera belichting. De camera zal foto’s nemen van een stuk weefsel terwijl het geproduceerd wordt op een weefgetouw. De camera en opstelling voor de LED bar bestaan al.

meestal hun lichtverdeling. Het te belichten oppervlak is meestal meer belicht naar het midden toe, dan aan de zijkanten. 3) De lichtstroom moet regelbaar zijn Het software programma dat de foto’s analyseert kan opmerken dat de foto’s lichter of donkerder worden als de lichten van de fabriek bijvoorbeeld aan- en uitgezet worden. De software moet dan kunnen compenseren door de lichtstroom te regelen. 4) Het moet op een 24V spanning werken Het weefgetouw heeft een 24V voeding voor extra componenten zoals de LED bar en camera. 5) De LED bar mag niet oververhitten Een machinebedienaar mag zijn vingers niet verbranden bij het aanraken van de LED bar. 6) De LED bar moet robuust en trilbestendig zijn Op een weefgetouw zijn er veel trillingen en machinebedienaars moeten regelmatig ingrijpen op een machine. Deze trillingen of toevallige stoten tegen de LED bar, mogen deze niet breken.

De camera neemt foto’s van 12 centimeter lang en 3 centimeter breed. De camerabelichting is 14 centimeter boven het weefsel geplaatst. Een software programma analyseert de foto.

7) De LED bar moet kunnen werken in een stoffige omgeving In een weverij is er veel stof. Dit mag de werking van de LED bar niet verstoren.

II. OBJECTIEVEN

III. IMPLEMENTATIE

Er zijn een aantal voorwaarden waaraan de LED bar moet voldoen: 1) Het moet op verschillende kleuren van weefsels werken Witte weefsels zijn het meest voorkomende kleur van weefsel dat geproduceerd wordt door weefgetouwen, maar er zijn ook andere kleuren van weefsels. Witte weefsels reflecteren licht zeer goed, wat het gemakkelijk maakt om er foto’s van te nemen. De reflectie van licht gekleurde weefsels is een beetje slechter. Maar het grootste probleem vormt zich bij donker gekleurde weefsels zoals denim. Deze reflecteren licht amper, wat het zeer moeilijk maakt om goede contrast te krijgen in de foto. 2) De foto moet uniform belicht zijn Dit is een van de meest belangrijke voorwaarden van dit project. Het probleem met conventionele LED bars is

Een LED bar ontwerpen: 1) LED’s Ten eerste is er de keuze van de LED’s. Er zijn veel LED’s op de markt in allerlei vormen, grootten en kleuren. Voor dit project is er een krachtige LED nodig die zowel lichte en donkere kleuren van stoffen kan belichten. De keuze ging naar de high power infrarood LED: SFH4715S. Ten tweede, er moet een egaal verspreide verlichting gecreëerd worden. Berekeningen toonden aan dat de beste manier om dit te doen, is om de LED’s op te stellen zoals aangegeven in volgende figuur.

2) Driver schakeling De LT3476 bleek de best passende LED driver te zijn voor dit project. Deze LED driver stuurt een buck converter circuit die de LED’s voorziet van stroom. Deze LED driver heeft een analoge dimming functie die gebruikt wordt om de lichtstroom te regelen. Er is ook een PWM functie om de LED’s snel aan en uit te doen. Dit wordt gebruikt om de LED’s aan te zetten op het moment dat er een foto genomen wordt. Door de LED’s alleen aan te zetten op het moment dat het nodig is, wordt er minder energie verbruikt en minder warmte gegenereerd. Er is ook een extra beveiligingsschakeling toegevoegd om te voorkomen dat de LED’s meer dan 500 microseconden aan een stuk branden zodat ze niet oververhitten. 3) Vormgeving LED bars zijn meestal printplaten waar de LED’s en driver schakelingen op gesoldeerd zijn. Deze printplaten zijn meestal geschoven of geklikt in een standaard LED bar behuizing. De LED bar voor dit project is ook op deze manier gemaakt. De printplaat was ontworpen om in een LED bar behuizing met een breedte van 12 millimeter te passen.

Er zijn zes kabels aangesloten op deze LED bar: - Twee voor de voedingsspanning - Twee voor de lichtstroom regeling - Twee voor de flash trigger Zowel de lichtstroom regeling als de flash trigger moeten aangestuurd worden door optocouplers. Een PWM signaal moet gebruikt worden via de eerste optocoupler om de lichtstroom te regelen. De LED’s zullen oplichten zolang een “HOOG” signaal verkregen wordt via de tweede optocoupler (De LED’s zullen dimmen na 500 microseconden als oververhittingsbeveiliging).

IV. RESULTATEN Er zijn een aantal problemen met de protypes. Er was een pull-up weerstand tekort die achteraf ingesoldeerd moest worden. Hoog frequente ruis afkomstig uit de vermogenkring zorgde ervoor dat de analoge dimming niet goed werkte. Dit is volledig opgelost door een extra massavlak toe te voegen. Sommige pinnen van de LED driver werkten niet omdat deze met de hand op de printplaat gesoldeerd werd. De analoge dimming pin van het eerste prototype werkte niet goed en een van de twee LED drive pinnen van het tweede prototype werkte niet waardoor er maar vier van de acht LED’s werken. Dit zou opgelost kunnen worden door de LED bar opnieuw te maken door gebruik te maken van een stencil en een oven om de componenten te solderen. Na het oplossen van deze problemen (behalve de kapotte driver pinnen), toonden testen en metingen aan dat alle onderdelen van de LED bar correct werkten. V. CONCLUSIE Het prototype werkte misschien niet volledig, maar het toonde dat het concept werkte. En met een klein beetje extra werk, kan een volledig werkende LED bar gecreëerd worden. De nieuwe LED bar heeft een uniform verdeeld licht dat op alle soorten weefsel werkt wat niet het geval was bij conventionele LED bars.

Inhoud Voorwoord ......................................................................................................................................... iv Toelating tot bruikleen ....................................................................................................................... v LED driver als uniforme industriële camera belichting ...................................................................... vi 1 Inleiding en situering................................................................................................................... 1 2 Literatuurstudie en technologieonderzoek ................................................................................ 2 2.1 Algemeen ............................................................................................................................ 2 2.2 Licht ..................................................................................................................................... 2 2.3 LED ...................................................................................................................................... 5 2.3.1 Historie ........................................................................................................................ 5 2.3.2 Werking ....................................................................................................................... 5 Nut............................................................................................................................... 6 2.3.3 2.3.4 Parameters .................................................................................................................. 8 2.3.5 Soorten LED’s ............................................................................................................ 15 2.4 LED’s in fotografie ............................................................................................................. 16 2.5 LED sturingen .................................................................................................................... 17 2.6 Camera’s en lenzen ........................................................................................................... 21 2.6.1 Camera’s ................................................................................................................... 21 2.6.2 Lenzen ....................................................................................................................... 22 2.7 Vormgeving ....................................................................................................................... 24 3 Realisatie ................................................................................................................................... 25 3.1 Algemeen .......................................................................................................................... 25 3.2 LED’s .................................................................................................................................. 25 3.2.1 Keuze van de LED’s .................................................................................................... 26 3.2.2 Opstelling van de LED’s ............................................................................................. 28 3.2.3 Gebruik van de LED’s ................................................................................................ 39 3.3 Aansturing ......................................................................................................................... 47 3.3.1 LED driver .................................................................................................................. 47 3.3.2 Testen van de LED bar ............................................................................................... 55 3.3.3 Microcontroller of analoge schakeling ..................................................................... 64 3.4 Vormgeving ....................................................................................................................... 65 4 Resultaat ................................................................................................................................... 66 5 Toekomstperspectief ................................................................................................................ 67 6 Besluit ....................................................................................................................................... 68 Referenties ........................................................................................................................................ 69 Figuren .............................................................................................................................................. 70

xi

1 Inleiding en situering Deze masterproef is in opdracht van Psicontrol Mechatronics N.V., een dochterbedrijf van de Picanol Group. Het is een aanvulling van een groter project. De bedoeling is een LED verlichting te onderzoeken en te ontwerpen om weefsel op een weefgetouw te belichten. Het weefsel moet optimaal belicht worden zodat het gefotografeerd kan worden. Er wordt een foto getrokken na elke scheut. De camera en een opstelling zijn gegeven. Figuur 1 toont deze opstelling.

Figuur 1: Opstelling

De camera zal een foto van het weefsel nemen tussen de twee LED bars door. Er wordt een foto genomen van een oppervlak van 12 centimeter op 3 centimeter en de LED bar hangt op een hoogte van 14 centimeter. Het is uiteindelijk de bedoeling dat een softwareprogramma de foto kan analyseren en hierover dan conclusies kan trekken. Om deze masterproef tot een goed einde te brengen was er eerst een onderzoek nodig naar alle onderdelen van het project. Na het onderzoek volgde het bouwen van een prototype waarbij ook nog een aantal problemen aan het licht kwamen.

1

2 Literatuurstudie en technologieonderzoek 2.1 Algemeen In deze masterproef zitten veel onderdelen die niet tot de basiskennis van een industrieel ingenieur behoren. Zoals de werking van licht of specifieker LED licht en LED’s op zichzelf. Hiervoor was dus veel opzoekwerk, onderzoek en prototyping nodig. Ook de onderdelen fotografie, camera’s en lenzen waren volledig nieuw. In dit hoofdstuk worden de componenten van deze masterproef beschreven, die belangrijk zijn om uiteindelijk een prototype te kunnen bouwen.

2.2 Licht Licht is een elektromagnetische bron [1]. De golflengte van het licht bepaalt de kleur. Tussen de 380 nanometer en de 760 nanometer bevindt zich zichtbaar licht. Onder de 380 nanometer spreekt men van ultraviolet licht en boven de 760 nanometer spreekt men van infrarood licht. Figuur 2 toont welke golflengtes met welk kleur overeenkomen.

Figuur 2: Golflengte en kleur [2]

Een lichtbron bevat meestal een combinatie van deze golflengten. Zonlicht bevat zo goed als alle golflengten, terwijl LED licht maar een specifiek aantal van deze golflengten bevat. Dit is vooral zichtbaar in belichting van een oppervlak met veel verschillende kleuren. Zonlicht zal hiervan een veel correcter beeld terugkaatsen. Terwijl bij LED licht, de kleuren niet zo correct zullen voorgesteld worden, doordat er vanaf het begin al veel minder kleuren in de belichting aanwezig zijn.

2

Om de lichthoeveelheid van zichtbaar licht te definiëren bestaan volgende grootheden [3]: - Lichtstroom = [Lumen] = Φ[lm] De lichtstroom is het vermogen van de lichtbron en is de limiet van het quotiënt van een hoeveelheid uitgestraalde of ontvangen lichtenergie gedurende een bepaald tijdsinterval en dat interval, als het tot nul nadert. Φ

lim∆

→

∆

∆

Bij de meeste LED’s wordt gespecifieerd hoeveel lumen of hoeveel lumen per watt ze uitstralen. - Lichtsterkte = [Candela] = I[cd] = [Lumen/sterradiaal] De lichtsterkte van een puntvormige lichtbron in een gegeven richting is de limiet van het quotiënt van de lichtstroom die in een ruimtehoek rond een bepaalde richting wordt uitgezonden en de ruimtehoek, als deze tot nul nadert. I

lim∆

∆ → ∆

-

Verlichtingssterkte = [Lux] = E[lx] = [Lumen/m²] De verlichtingssterkte in een punt van een oppervlak dat loodrecht staat op de invallende lichtstralen, is de limiet van het quotiënt van de lichtstroom die door een elementair oppervlak wordt ontvangen en dat oppervlak, als dat laatste tot nul nadert.

E

lim∆

→

∆ ∆

De verlichtingssterkte op een bureau in een kantoorgebouw is ongeveer 500 lux.

3

Figuur 3 toont het verband tussen de lichtstroom (Lumen), de lichtsterkte (Candela) en de verlichtingssterkte (Lux).

Figuur 3: Lumen, Candela en Lux

Deze grootheden geven aan hoeveel licht geproduceerd wordt, maar ze zijn zeer moeilijk te gebruiken. Ze gelden ook alleen bij zichtbaar licht. Van licht buiten het visuele spectrum, zoals infrarood licht, kan niet worden opgegeven hoeveel lumen deze uitstraalt. Hier wordt dan meestal gewerkt met optisch vermogen (Watt) of optisch vermogen per sterradiaal (W/sr). Lichtstroom omzetten naar verlichtingssterkte is geen simpele opgave want er zijn veel variabelen die ervoor zullen zorgen dat de praktijk afwijkt van de theorie. Met een gekende verlichtingssterkte weet je nog steeds niet veel, omdat verschillende oppervlakken, meer of minder van het invallende licht zullen terugkaatsen. Daarnaast is het ook zeer moeilijk om de verlichtingssterkte nauwkeurig te meten. De meeste luxmeters geven als resultaat de gemiddelde verlichtingssterkte in een bepaalde oppervlakte. Het is niet mogelijk om met luxmeters schaduwvlekken te zien en het is meestal ook niet mogelijk om flitsende bronnen te meten. Verlichtingssterkte kan ook gemeten worden met lichtgevoelige weerstanden, fototransistors of fotodiodes. Hiermee is het dan wel mogelijk om flitsend licht te meten. Maar voor deze masterproef bleek het nuttiger om de lichtsterkte rechtstreeks te meten via een camera die een foto neemt. Het is toch de foto die uiteindelijk de juiste hoeveelheid belichting nodig heeft.

4

2.3 LED 2.3.1 Historie Al in 1907 werd het fenomeen van elektroluminescentie waargenomen waarbij een materiaal licht uitzendt wanneer er een elektrische stroom doorheen vloeit. Maar de eerste LED kwam pas in 1927. Toen was hier nog geen praktisch gebruik voor en duurde het nog een 30tal jaar vooraleer de LED aan het einde van de jaren 50 opnieuw opgerakeld werd. Deze eerste LED’s waren allemaal infrarood LED’s. In 1962 kwam de eerste rode LED. Deze vond een praktisch nut in indicators en 7 segmenten displays. Rond de jaren 80 kwamen er naast de rode LED’s ook andere kleuren LED’s, maar het duurde tot eind jaren 90 begin 2000 tot er een betaalbare blauwe LED ontwikkeld werd. De hedendaagse witte LED’s zijn blauwe LED’s die door een fluorescerende laag schijnen. Deze laag zorgt ervoor zorgt dat het licht witter wordt. Op dit moment zijn CREE en Osram Opto Semiconductors de twee grootste LED producenten. Ze hebben beiden veel onderzoek gedaan over LED’s en vooral over high power LED’s en witte LED’s, voor het optimaliseren van hun eigen LED’s. Op de websites van deze twee producenten zijn tal van application notes en datasheets te vinden die heel veel informatie over LED’s bevatten. Veel van deze application notes en datasheets zijn dan ook gebruikt voor het realiseren van deze masterproef.

2.3.2 Werking Een Light Emitting Diode (LED) bestaat net als een diode uit een PN‐junctie. Het N‐type materiaal bevat een overschot aan elektronen, het P‐type materiaal bevat een tekort aan elektronen, wat overeenkomt met gaten. Op de plaats waar het P‐type materiaal en het N‐type materiaal elkaar raken, zullen de overschotten van elektronen in het N‐type materiaal, de gaten in het P‐type materiaal opvullen, wat voor een “depletion region” zal zorgen. Om hierna nog stroom door de diode te krijgen, moet deze depletion region eerst met een forward voltage overwonnen worden. Indien deze depletion region overwonnen is, zal de elektronenstroom vrij vanuit het N‐type materiaal naar het P‐type materiaal kunnen stromen. Hier zal er energie vrijkomen wanneer een elektron vanuit de conductie band een gat vult in de valentie band. Bij LED’s wordt een deel van deze vrijkomende energie gedissipeerd in de vorm van licht.

5

Figuur 4 toont een schematische voorstelling van de werking van een LED.

Figuur 4: Werking van een LED [4]

Het materiaal waaruit de PN‐junctie van deze LED gemaakt is, bepaalt de golflengtes (en dus de kleur) van het licht. Aan de hand van fluorescerende lagen en gekleurde lenzen kan de kleur van het uitgezonden licht nog aangepast worden voor bijvoorbeeld het creëren van wit licht [5] [6] [7].

2.3.3 Nut LED technologie heeft een aantal voordelen tegenover andere lichtbronnen: 2.3.3.1 Energie efficiëntie LED’s produceren, zoals alle lampen, naast licht ook warmte. LED lampen produceren ongeveer 20% licht en 80% warmte, terwijl gloeilampen ongeveer 8% zichtbaar licht produceren samen met 92% infrarood licht en warmte. Fluorescente lampen (zoals TL lampen) halen ongeveer dezelfde efficiëntie als LED lampen [8]. 2.3.3.2 Lichtrendement De LED is één van de meest efficiënte lichtbronnen qua lichtrendement. Het lichtrendement wordt uitgedrukt in Lumen/Watt, met de uitgezonden lichtenergie in Lumen en de totale verbruikte energie (licht + warmte) in Watt. Een doorsnee high power LED, momenteel op de markt, produceert ongeveer 120 lm/W maar er bestaan al LED’s die onder ideale condities tot 254 lm/W halen. Er wordt gespeculeerd dat er met de huidige LED technologie een bovengrens is van 260 lm/W.

6

In figuur 5 wordt het lichtrendement van de meest voorkomende lichtbronnen weergegeven in functie van het jaartal [5].

Figuur 5: Lichtrendement in functie van het jaartal [5]

Natriumlampen hebben op dit moment het grootste lichtrendement, maar ze produceren een geel/oranje licht wat ze niet nuttig maakt voor interieurverlichting. Ze worden dan ook meestal gebruikt als straatverlichting. Metaalhalidelampen zijn zeer efficiënte witte lampen, maar hebben als nadeel dat ze grote ballasten nodig hebben om te werken en dat ze veel lawaai maken. Fluorescente lampen, zoals TL lampen, renderen momenteel ongeveer even goed als LED lampen. 2.3.3.3 Levensduur Bij gloeilampen is de levensduur, de tijd dat de gloeilamp gemiddeld meegaat. Een fluorescente lamp begint te flikkeren, gloeit alleen aan zijn uiteinden of werkt niet meer op het einde van zijn levensduur. Bij een LED is dit anders. LED’s gaan over het algemeen niet volledig kapot, tenzij ze zwaar oververhit geweest zijn. De levensduur van een LED wordt gedefinieerd als het aantal uren dat de LED zal branden tot hij zodanig gedegradeerd is dat zijn lichtstroom daalt tot onder 70% van zijn oorspronkelijke lichtstroom. Deze grootheid wordt de L70 genoemd. L50 of L85 (respectievelijk 50% en 85% van de oorspronkelijke lichtstroom) worden ook soms gedefinieerd [9]. De meeste LED’s hebben op dit moment een levensduur van rond de 50 000 uren, bij fluorescente lampen ligt dit rond de 20 000 uren en bij gloeilampen ongeveer 2 500 uren. Na dit aantal uren zijn fluorescente lampen en gloeilampen meestal kapot, terwijl een LED dan minder licht geeft, maar nog altijd brandt. Er moet wel opgelet worden met temperatuur van de LED en vochtigheid rond de LED, want deze kunnen beiden de levensduur van de LED sterk verminderen [10]. 2.3.3.4 Snelheid Een LED kan heel snel aangestuurd worden. De stijg‐ en daaltijden liggen in de grootorde van microseconden tot zelfs nanoseconden.

7

2.3.3.5 Schokbestendigheid LED’s kunnen zeer goed tegen schokken, er zitten geen losse componenten in, ze zijn niet omgeven door een breekbare glazen behuizing en ook de IC’s, nodig voor het aansturen van de LED’s, zijn zeer solide. 2.3.3.6 Warmtedissipatie Bij een LED wordt al zijn warmte gegenereerd in de junctie en doorgestuurd naar zijn aansluitingen; er wordt zo goed als geen warmte uitgestraald. Bij een gloeilamp wordt er nog meer warmte gegenereerd dan bij een LED. Maar bijna alle warmte wordt uitgestraald, waardoor een gloeilamp bijna geen problemen heeft met de temperatuur in zijn aansluitpunten. Een LED heeft deze problemen wel en heeft dus een goede koeling nodig [8] [11] [12] [13].

2.3.4 Parameters Hieronder worden een aantal belangrijke LED parameters omschreven [14]: 2.3.4.1 Forward current Algemeen kan gezegd worden, hoe meer stroom door een LED gestuurd wordt, hoe meer licht verkregen wordt. Figuur 6 toont de lichtstroom in functie van de stroom bij een XM‐L LED van CREE [15].

Figuur 6: Relatieve lichtstroom in functie van de forward current van een CREE XM‐L [15]

Er bestaat geen maximum stroom die door een bepaalde LED gestuurd mag worden. Maar bij grote stromen is het mogelijk dat de LED oververhit of dat er een draadje binnenin de LED doorsmelt. Dit wil zeggen dat door een LED, een heel grote stroom gestuurd mag worden, zolang de stroompuls kort genoeg is om niets binnenin de LED te oververhitten, en de LED genoeg tijd krijgt om af te koelen voor de volgende puls. In datasheets wordt meestal een maximum forward current opgegeven maar deze geldt alleen bij een constante stroom [16]. Het geeft aan hoe groot een constante forward current mag zijn zodat de LED zelf zijn warmte nog zal kunnen dissiperen. De spanning over een LED (forward voltage) is min of meer lineair met de stroom, net als bij een diode. 8

Figuur 7 toont de stroom in functie van de spanning bij een XM‐L LED van CREE [15].

Figuur 7: Forward current in functie van de forward voltage van een CREE XM‐L [15]

In figuur 7 zie je dat bij een kleine verandering van de spanning, er een grote verandering van de stroom is. Om deze reden wordt bij LED’s meestal met een stroomsturing gewerkt en niet met een spanningssturing. 2.3.4.2 Vermogen Het vermogen van een LED is bepaald door het product van de forward current en de forward voltage (bij constante werking). Aan de hand van zijn lichtrendement kan dan de lichtstroom bepaald worden. 2.3.4.3 Temperatuur Bij een LED wordt meestal naar zijn junctietemperatuur en smeltpunttemperatuur gekeken. De junctietemperatuur is hierbij de belangrijkste. Het bepaalt de levensduur, kleur en lichtstroom van een LED. De junctietemperatuur stelt de temperatuur voor in de junctie van de LED. Op korte termijn bekeken, zal een LED die een hoge junctietemperatuur heeft, een ander kleur en een lagere lichtstroom hebben dan een LED met een lage junctietemperatuur. Op lange termijn zal bij een LED die aan een hoge temperatuur blootgesteld werd, de fluorescente laag en de PN‐junctie aangetast worden. Hierdoor zal de lichtstroom, onder normale condities, verzwakt zijn en zal de kleur van de LED, onder normale condities, zich lichtjes aanpassen. Een bijkomend gevolg van deze aanpassing in de lichtstroom is dat de lichtstroom van de LED nu sneller onder de 70% zal zakken, dus is de levensduur nu ook verlaagd.

9

Figuur 8 en figuur 9 geven respectievelijk de lichtstroom en de chromaciteitsverandering in functie van de temperatuur van een XM‐L LED van CREE [15] weer.

Figuur 8: Relatieve lichtstroom in functie van de junctie temperatuur van een CREE XM‐L [15]

Figuur 9: Chromaciteitsverandering in functie van de soldeerpunttemperatuur [11]

Bij de junctie in de LED zitten de cruciaalste componenten van de LED, namelijk de junctie zelf en de fluorescente laag. De junctietemperatuur kan niet rechtstreeks gemeten worden omdat men niet rechtstreeks aan de junctie kan. Daarom wordt meestal gewerkt met de soldeerpunttemperatuur, dit is de temperatuur op het punt waar de LED vast gesoldeerd zit aan zijn printplaatje. Hier kan men wel rechtstreeks aan. Aan de hand van de soldeertemperatuur (TSP), de thermische weerstand tussen de junctie en het soldeerpunt (Rth J‐SP) en het vermogen van de LED (P) kan de junctietemperatuur (TJ) berekend worden. 10

Volgende formule geeft dit verband weer: ∗ De soldeerpunttemperatuur is meestal ongeveer gelijk aan de junctietemperatuur. Indien er met hoge vermogens gewerkt wordt, moet er gelet worden op de koeling van de LED [8] [11] [12] [13]. 2.3.4.4 Kleur Tot nu toe werden vooral witte LED’s beschreven omdat deze meest gebruikt worden voor verlichting. Maar naast witte LED’s zijn er ook de gekleurde LED’s. Om alle kleuren op een schaal te brengen, wordt meestal met chromaciteit gewerkt. Aan de hand van X en Y coördinaten (CCx en CCy) kunnen alle kleuren in het kleurenspectrum gedefinieerd worden.

11

Figuur 10 geeft dit grafisch weer.

Figuur 10: Chromaciteit, golflengte en kleurtemperatuur [17]

Gekleurde LED’s worden gespecifieerd met deze X en Y coördinaten, maar omdat witte LED’s meer gebruikt worden, is er hiervoor nog een extra schaal. In figuur 10 is ook een kleurtemperatuurschaal (in Kelvin) te zien. Dit gaat van 10 000 K, wat blauwwit licht is, ook koud wit genoemd, tot 1 500 K, wat geelwit licht is, ook warm wit genoemd. Deze schalen geven de totale kleur van een LED weer. Deze kleur is samengesteld uit meerdere golflengten. Hiervoor bestaat er voor wit licht ook nog de Color Rendering Index (CRI). De CRI geeft aan hoeveel verschillende kleuren er in één lichtbron zitten, waarbij een CRI van 0 overeenkomt met geen kleuren en een Cri van 100 overeenkomt met alle kleuren die in een gloeilamp zitten. Warmere LED’s hebben meestal een hogere CRI heeft (tot rond de 90). Koudere LED’s hebben meestal een lagere CRI heeft (tot rond de 70). Deze schaal is niet ideaal aangezien een gloeilamp ook niet alle kleuren uit het spectrum bevat. 12

Naast de gekleurde LED’s en de witte LED’s zijn er ook nog de infrarood en ultraviolet LED’s. Infrarood LED’s worden gebruikt voor touchscreens, beveiligingscamera’s, nightvision en camerabelichtingen. Maar ze worden het meest gebruikt voor dataoverdracht en optische sensoren, waarbij kleine LED’s volstaan. Om een camerabelichting te maken, zijn grotere LED’s nodig, zoals power LED’s of Circuit On Board LED’s. Deze vormen van LED’s zijn vooral ontwikkeld in het wit, met de bedoeling om binnen‐ en buitenverlichting te vervangen. De infrarood LED’s komen een beetje achter in deze ontwikkelingen. Een groot voordeel van een infrarood cameraflits is dat deze niet voor storende flitsen zorgt voor de omstaanders. Een nadeel is dat deze LED’s minder onderzocht zijn. Een infrarood cameraflits is misschien niet storend voor het oog, maar er moet wel opgelet worden met het licht, want infrarood licht is even schadelijk voor het oog als zichtbaar licht. Naast Infrarood LED’s zijn er ook Ultraviolet LED’s. UV LED’s produceren naast UV licht ook een deel zichtbaar licht, waardoor het grote voordeel van onzichtbaar licht wegvalt. 2.3.4.5 Forward voltage De forward voltage volgt uit het vermogen en de forward current van de LED. Het kan wel lichtjes stijgen en dalen in functie van de junctietemperatuur en de forward current. 2.3.4.6 Reverse voltage Reverse voltage is de omgekeerde spanning die een LED kan verdragen. Indien deze spanning overschreden wordt, zal de LED kapot gaan. De meeste LED fabrikanten zorgen ervoor dat de reverse voltage van hun LED’s hoger is dan de forward voltage, zodat de LED niet kapot gaat wanneer hij per ongeluk omgekeerd aangesloten werd. 2.3.4.7 Thermische weerstand tussen de junctie en het soldeerpunt Dit is nodig om de junctietemperatuur te bepalen. Zoals eerder besproken in het onderdeel temperatuur.

13

2.3.4.8 Verlichtingshoek en schijnpatroon De meeste LED’s stralen hun licht uit in een Lambertiaans stralingspatroon (ongeveer parabolisch). De breedte van deze Lambertiaanse curve is afhankelijk van de verlichtingshoek van de LED. De verlichtingshoek is de hoek waaronder de lichtstroom nog 50% is van het maximum (100% bij 0°). Zoals te zien is in Figuur 11 [15].

Figuur 11: Relatieve lichtstroom in functie van de verlichtingshoek van een CREE XM‐L [15]

Leaded LED’s of LED’s met aansluitdraden, hebben meestal een verlichtingshoek tussen de 30° en de 60°. Deze LED’s zijn eerder puntbronnen. Surface mounted LED’s, zoals SMD LED’s, power LED’s en Circuit On Board LED’s, hebben meestal een verlichtingshoek van boven de 100°. Er zijn ook LED’s te verkrijgen met een speciale lens om een ander schijnpatroon te realiseren. Bijvoorbeeld de CREE XQ‐D heeft een blokvormige lens wat zorgt voor een speciaal schijnpatroon. Figuur 12 toont het schijnpatroon van de XQ‐D [18].

Figuur 12: Relatieve lichtstroom in functie van de verlichtingshoek van een CREE XQ‐D [18]

14

2.3.5 Soorten LED’s 2.3.5.1 Leaded LED’s Zoals de meeste mensen LED’s kennen: het glazen cilindertje met 2 pootjes, of 4 pootjes in het geval van RGB LED’s. Ze zijn robuust, gaan lang mee en zijn in kleine hoeveelheden gemakkelijk te gebruiken. Ze zijn wel moeilijk machinaal te plaatsen en hebben geen koelvlakken. Deze LED’s hebben ook een kleine verlichtingshoek tegenover andere LED’s (60° tegenover 120°). Leaded LED’s worden meestal gebruikt in kleine prullen (goedkoop speelgoed en gadgets), zaklampen en infrarood afstandsbedieningen. 2.3.5.2 Surface‐mounted device LED’s (SMD LED’s) SMD LED’s zijn kleine LED’s die gemakkelijk op printplaten geplaatst kunnen worden. Ze worden vooral gebruikt als controlelampjes. 2.3.5.3 Super flux LED’s Superflux LED’s zijn gelijkaardig aan leaded LED’s met dat verschil dat ze een veel grotere verlichtingshoek hebben. Hun lichtopbrengst is meestal ook beter. 2.3.5.4 High power LED’s High power LED’s zijn SMD LED’s voor hoge vermogens. Deze hebben een koelvlak en zijn meestal ook SMD. Power LED’s bestaan in vermogens van een paar honderd milliwatt tot een tiental watt. Ze worden vooral gebruikt voor het vervangen van andere soorten van verlichting, zoals spots, TL lampen en gloeilampen. High power LED’s, zoals te zien in figuur 13, worden vaak op een kleine zeshoekige printplaat gesoldeerd wat het gemakkelijker maakt om deze te testen. 2.3.5.5 Circuit On Board LED’s (COB LED’s) COB LED’s zijn array’s van LED’s in één package. Ze zien er een beetje uit als een eierdooier. Dit zijn zeer sterke LED’s en ze bestaan in vermogens van een paar watt tot meer dan honderd watt. Deze LED’s worden voor dezelfde toepassingen als de high power LED’s gebruikt. 2.3.5.6 Organic LED’s (OLED’s) OLED’s zijn zeer kleine LED’s, ze werken niet volledig op dezelfde manier als gewone LED’s. OLED’s zijn geen puntbronnen maar ze bestaan eerder uit een lichtgevend vlak. Ze worden vooral gebruikt voor het maken van beeldschermen [19].

Figuur 13: Leaded, SMD, superflux, high power en COB LED’s

15

2.4 LED’s in fotografie Om goede foto’s te nemen, wordt meestal met constante lichtbronnen in combinatie met diffuse filters en reflectoren gewerkt, zodat het licht zo natuurlijk mogelijk verdeeld wordt. Dit neemt echter heel veel plaats in beslag. Indien men met LED’s dezelfde lichtstroom wil bereiken, is er extra koeling nodig om deze lichtbron te koelen. Er kan op 2 manieren plaats bespaard worden: met minder reflectoren of kleinere koelingen. Door reflectoren weg te halen, zal het contrast in de foto verslechten. Dit kan gedeeltelijk vermeden worden door met diffuus licht te werken. Een kleinere koeling daarentegen zal ervoor zorgen dat er minder licht mag geproduceerd worden met de LED verlichting, zodat deze niet oververhit. De koeling kan ook verkleind worden als we de LED’s laten flitsen [20]. In de fotografie worden momenteel vooral xenonflashes gebruikt. Deze kunnen heel snel veel licht geven, maar ze hebben hiervoor wel een grote spanning nodig. Over het algemeen werkt men met een batterij en condensatoren om een hoge spanning te krijgen die dan ontladen kunnen worden in de flash. Door het ontlaadgedrag van deze condensatoren zal het geproduceerde licht niet perfect dezelfde sterkte blijven behouden. Met LED’s verdwijnt dit probleem; ze hebben niet zo’n grote spanningen nodig, waardoor er geen condensatorbatterijen nodig zijn. Ze kunnen ook beter eenzelfde lichtstroom aanhouden. LED’s hebben ook een kleinere stijg‐ en daaltijd. Het nadeel van LED’s tegenover xenonflashes is, dat hun lichtstroom niet zo groot is. Er is een veel grotere LED lamp nodig om een xenonlamp te vervangen, maar dit is natuurlijk applicatieafhankelijk. Gezien de huidige evolutie van de LED technologie, zal het waarschijnlijk niet lang meer duren om LED’s te vinden die evenwaardig of beter zijn dan xenonlampen.

16

2.5 LED sturingen Om een LED te doen branden, moet een zeker forward voltage overwonnen worden. Wanneer deze forward voltage overwonnen is, zal de spanning over de LED daarna ongeveer dezelfde blijven, maar de stroom door de LED zal bepalen hoeveel licht de LED geeft. Volgens de grootte van deze stroom zal ook de forward voltage nog een klein beetje toe‐ of afnemen. Wanneer je een 3 volt LED op een 5 volt bron zou aansluiten, zal er nog steeds 3V over de LED staan, maar zal er 2 volt over de inwendige weerstand van de bron komen. De stroom door de LED zal gelijk zijn aan 2 volt gedeeld door de inwendige weerstand, wat een zeer grote stroom zal opleveren. Deze hoge stroom zal de LED doen oververhitten. Daarom wordt, om een LED aan te sturen, in een basis LED schakeling altijd gewerkt met een voorschakelweerstand. De voorschakelweerstand moet dan groot genoeg zijn om de stroom te limiteren. De stroom door de LED is gelijk aan de bronspanning, min de spanning over de LED, gedeeld door de weerstand.

Deze basisschakeling is heel gemakkelijk om te maken, maar is niet van toepassing wanneer er met grote vermogens gewerkt wordt. Ten eerste zal de weerstand een groot deel van het vermogen dissiperen en ten tweede is de lichtstroom hiermee moeilijk te regelen. De spanning over de LED is afhankelijk van de stroom en een kleine verandering in de spanning zal voor een grote verandering in de stroom zorgen (zie figuur 7). Een andere manier om LED’s aan te sturen is via een stroomregulator. Deze kan, via een sense‐ weerstand, de stroom door een LED of een LED string constant houden. Het nadeel hiervan is dat deze stroom door de regulator moet lopen, en dat de maximum stroom dus sterk gelimiteerd is [21]. Wanneer er met LED’s van grotere vermogens gewerkt wordt, kiest men meestal voor een LED driver. Een LED driver zorgt voor de sturing van de MOSFET in een buck, boost, buck‐boost, SEPIC of flyback vermogenkring, om een constante stroom over een LED of LED string te regelen [22] [23] [24].

17

Vin S

L

L D

Vin

Boost

C

D S

Buck/Boost

Vin

C

Flyback

D

S

Vout

Buck

Vout

Vin

D

Vout

L

C N1

N2

Vout

T C

S

SEPIC C

L S

D L

C

Vout

Vin

Figuur 14: Buck, Boost, Buck‐Boost, Flyback en SEPIC

Figuur 14 geeft buck, boost, buck‐boost, flyback en SEPIC schakelingen weer. De schakelaar hierin wordt vervangen door een FET die aangestuurd wordt met een LED driver en er wordt in serie met de belasting (de LED of de LED string), een sens‐weerstand geplaatst. De stroom over deze sense‐weerstand wordt opgemeten door de LED driver, zodanig dat deze dan de uitgangsspanning van de schakeling kan bijregelen, met als gevolg dat de stroom door de LED mee geregeld wordt. Er zijn heel veel verschillende LED drivers. Ze onderscheiden zich volgens mogelijke in‐ en uitgangsspanningen, de hoeveelheid stroom die ze aankunnen en in welke schakelingen ze gebruikt kunnen worden. Bij sommige LED drivers is de uitgangsstroom instelbaar en er zijn er zelfs die PWM sturingen aankunnen.

18

Voorbeelden: - LM3401 Dit is een heel simpele LED driver, hij werkt via buck, kan werken met ingangsspanningen tussen 4.5V en 35V.

Figuur 15: Voorbeeldapplicatie LM3401 [25]

- LT3755‐2 Dit is een uitgebreide LED driver, hij werkt eigenlijk via boost, maar kan in buck mode en buck‐ boost mode, SEPIC en flyback geschakeld worden. Deze kan een ingangsspanning van 4.5V tot 40V aan en uitgangspanningen tot 75V.

Figuur 16: Voorbeeldapplicatie LT3755‐2 [26]

- LM3444 Een AC/DC LED driver, deze werkt op een ingangsspanning van 80V tot 277V AC, via buck of flyback. 19

Figuur 17: Voorbeeldapplicatie LM3444 [27]

Deze drivers zorgen meestal alleen voor het regelen van de stroom. Diodebruggen, transformators, spoelen, condensators en weerstanden voor het bouwen van de vermogenkring moeten meestal nog aangesloten worden. Sommige drivers bevatten al een aantal van deze componenten. In de datasheet kan je meestal terugvinden hoe de driver best wordt aangesloten en via de fabrikant kan ook meestal een demobord verkregen worden. Het is ook een goed idee om de printlayout van dit demobord te gebruiken in de uiteindelijke schakeling, aangezien dit bord over het algemeen uitvoerig getest is en aan de normen voldoet.

20

2.6 Camera’s en lenzen 2.6.1 Camera’s Een camera bestaat uit een camerasensor, wat eigenlijk een matrix is van lichtsensoren met vóór elke sensor een kleurenfilter. Verder is er nog een schakeling om deze sensor aan te sturen en de fotodata op te slaan en eventueel door te sturen. De lichtsensoren kunnen alleen lichtsterkte meten, geen kleur. Daarom is er nood aan een kleurenfilter. Voor de lichtsensoren worden afwisselend rood, groen en blauwe doorlaatfilters geplaatst om zo een kleurenbeeld te verkrijgen. Er bestaan een aantal van deze kleurenfilter array’s, maar de Bayer color filter array is de meest gebruikte voor fotografie. Figuur 18 geeft de ordening van de kleurenfilters in een Bayer color filter weer.

Figuur 18: Bayer color filter [28]

Deze kleurenfilters zorgen voor een zekere “color spectral response”. De color spectral response toont hoe de camera reageert op bepaalde golflengten. Figuur 19 toont dit bij de CMV2000 camerasensor [29].

21

Figuur 19: Color spectral response i.f.v. Wavelength [30]

In figuur 19 valt duidelijk te zien op welke kleuren de camerasensor reageert en met welke sensoren. Wat opvalt is dat deze camerasensor evenveel groen, blauw en rood detecteert rond de 850nm (infrarood). Dit wil zeggen dat de camerasensor infrarood zal zien als wit licht.

2.6.2 Lenzen Een lens is nodig om het beeld op de camerasensor te focussen. Met de lens kan in‐ en uitgezoomd worden en het beeld scherp gesteld worden. Figuur 20 toont een lens die licht focust op een camerasensor.

22

Figuur 20: Camerasensor en lens

Een lens kan de kwaliteit van een foto ook wel verslechten. Vooral aan de randen van de foto is dit een probleem. De lens kan zorgen voor vignettering, distorsie en kleurenschifting [31]. - Vignettering De randen van de foto zijn minder helder dan het midden van de foto. - Distorsie De randen van de foto lijken gebogen te zijn. - Kleurenschifting Aan de rand van de foto liggen de 3 kleuren niet juist op elkaar.

Figuur 21: Vignettering, distorsie en kleurenschifting [31]

23

2.7 Vormgeving Lineaire LED array’s zitten meestal in een aluminium behuizing met voor de LED’s een doorzichtige kunststoffen afscherming. Deze afscherming wordt soms vervangen door een diffuse filter. Diffuse filters zullen de verspreiding van het licht verbeteren, maar deze zal er ook voor zorgen dat er een groot deel van de lichtenergie verloren gaat. De LED’s zelf zijn gesoldeerd op een FR‐4 printplaat en de drivers voor de LED’s bevinden zich tussen de LED’s, zodat er alleen nog 2 voedingsdraden moeten verbonden worden om alles te laten werken. Er zijn heel veel soorten van deze aluminium behuizingen op de markt, maar de meeste zijn gemaakt om er een printplaat van 12 millimeter breed in te schuiven of klikken.

24

3 Realisatie 3.1 Algemeen Er bestaat al een LED bar die gebruikt wordt voor dit project. Dit is een conventionele LED bar met 14 LED’s op gelijke afstand van elkaar die voortdurend licht geven. De lichtverdeling van deze LED bar is zeer slecht en daarom is een nieuwe LED bar noodzakelijk die aan volgende criteria voldoet: - Uniforme lichtverdeling - Werken op allerlei soorten weefsels - Instelbare lichtopbrengst - 24V voeding - Warmtehuishouding - Robuustheid - Trilbestendigheid - Bestand tegen vervuiling Deze punten kunnen in drie groepen opgedeeld worden. 1. Door een correcte keuze en opstelling van LED’s kan er zowel met meerdere soorten weefsels gewerkt kunnen worden en zal er een goede lichtverdeling zijn. 2. Met een goed gekozen LED driver en schakeling kan de lichtopbrengst geregeld worden en kan er gewerkt worden met een 24V voeding. 3. Er moet voor een juiste vormgeving gezorgd worden om de LED bar robuust, trilbestendig en bestand tegen vervuiling te maken. De warmtehuishouding behoort zowel tot het deel over de LED’s als de driver. Om te beginnen was de opstelling van de camera en LED bar op de machine al gegeven. De 24V voeding is niet betrouwbaar. Het is eigenlijk 26V, maar de mogelijkheid bestaat dat deze een aantal volt daalt. Er zal een signaal voorzien worden op de machine voor een trigger wanneer de LED bar moet branden en een signaal om via een computer de lichtopbrengst van de LED bar te regelen. Binnen de criteria die ik hierboven beschreef, zijn er nog altijd heel veel keuzes die kunnen gemaakt worden. Dit hoofdstuk beschrijft mijn denkproces voor het maken van deze keuzes om zo uiteindelijk, via het uittesten van verschillende proefopstellingen, tot één prototype te komen.

3.2 LED’s In dit onderdeel wordt besproken hoe de LED’s gekozen zijn om genoeg lichtopbrengst te hebben, om te werken op allerlei soorten weefsels en hoe deze opgesteld moeten worden om een uniforme lichtverdeling te verkrijgen.

25

3.2.1 Keuze van de LED’s Zoals eerder besproken in de literatuurstudie zijn er zeer veel parameters die LED’s onderscheiden. Hieronder worden de belangrijkste parameters voor de keuze van mijn LED’s besproken. 3.2.1.1 Lichtstroom De lichtstroom in Lumen (of Watt in het geval van infrarood LED’s) is een vrij theoretische waarde. Het is eigenlijk de hoeveelheid lichtenergie die een lichtbron uitstraalt. In deze masterproef is er verlichting nodig op een kleine rechthoek van zo’n 12 centimeter op 3 centimeter op een afstand van ongeveer 14 centimeter van de lichtbron. Al het licht dat buiten deze rechthoek schijnt is verloren energie. Wanneer de exacte opstelling van de lichtbron tegenover de te belichten oppervlakte gekend is, kan met behulp van de verlichtingshoek en schijnpatroon van de lichtbron, de verlichtingssterkte op de oppervlakte bepaald worden in Lux. Deze grootheid is nog steeds niet gemakkelijk om voor te stellen. De uiteindelijke bedoeling is om een zwart‐wit foto te nemen van dit gebied. Dus was de logische volgende stap om lichtbronnen met een gekend aantal lumen te testen via een foto. De camera moet ingesteld zijn zodat de foto scherp genoeg is en genoeg contrast heeft om duidelijk de draadjes te onderscheiden in het weefsel. Na het uittesten kwam ik op een resultaat van grofweg 3000 Lumen. Met deze waarde kennen LED leveranciers de grootorde van de nodige LED’s en dan kunnen zij veel gerichtere voorstellen doen voor bruikbare LED’s. Om 3000 lumen te verkrijgen zijn er ofwel sterke high power LED’s nodig, ofwel COB LED’s. 3.2.1.2 Kleur Naast de hoeveelheid licht en de verdeling van het licht is ook het kleur van de LED zeer belangrijk. Meestal worden witte stoffen geweven. Wit weerkaatst alle kleuren goed, dus hierbij speelt de kleur van het licht weinig rol. Maar er worden soms ook andere stoffen zoals denim, sterk blinkende stoffen of zelfs stoffen in meerdere kleuren geweven. Witte high power LED’s zijn op dit moment het verst geëvolueerd omdat deze momenteel volop ontwikkeld worden voor het vervangen van allerlei soorten van verlichting, zoals fluorescente lampen en gloeilampen. Daarom halen witte LED’s over het algemeen de betere rendementen dan andere LED’s. Voor de eerste tests, werden voor deze redenen witte LED’s gebruikt, maar na een test op denim bleek dat dit geen goede keuze was. Denim is een zeer donker blauwe stof. Dus wanneer wit licht valt op denim, wordt alleen dit donker blauw terug gereflecteerd in de camera. De camera maakt dan een zwart‐wit beeld van dit donkere blauwe op een zwarte achtergrond. Hierbij kan je zo goed als niets zien op de foto. Het is de bedoeling dat het uiteindelijke product op alle soorten stof, of toch zoveel mogelijk soorten stof, zal werken. Kleuren van licht binnen het visueel spectrum hebben allemaal dit zelfde probleem, ze reflecteren allemaal zeer slecht op donker gekleurde stof. De oplossing hiervoor is infrarood licht. Infrarood reflecteert vrijwel evengoed op de meeste donkere stoffen als op lichte stoffen.

26

Bijkomend is een sterke lichtbron (die eventueel zeer snel flitst) op een weefgetouw zeer vervelend voor eventuele arbeiders die aan het weefgetouw moeten werken of controleren of er niets fout gaat. Infrarood licht, wat niet zichtbaar is voor het menselijke oog, lost ook dit probleem op. Na het testen op denim weefsel stond ongeveer vast dat infrarood LED’s de logische keuze waren om mee verder te werken. 3.2.1.3 Vorm en grootte Er bestaan vele vormen en grootten van LED’s. De eerste keuze ging tussen COB LED’s en high power LED’s. COB LED’s zijn groter, maar halen betere rendementen. High power LED’s zijn kleiner en moeilijker te solderen in een testopstelling. Het machinaal bestukken van high power LED’s gaat wel makkelijker. Na de overstap naar infrarood LED’s vielen COB LED’s weg, omdat deze niet bestaan in het infrarode spectrum. Maar Osram Opto Semiconductors, de voornaamste producent van infrarood LED’s, heeft echter 3 modellen van high power LED’s in zijn gamma: ‐ De gewone SMD versie (SFH4715S) ‐ High power LED’s met een plastic behuizing (SFH4750) ‐ High power LED’s die al op een kleine zeshoekige printplaat zitten (SFH4535) De LED’s met printplaat (SFH4535) zijn te groot voor de meeste aluminium behuizingen waarin LED bars over het algemeen in gemonteerd worden en daarom niet praktisch voor dit project. De zeshoekige printplaat is 20 millimeter breed, terwijl het de bedoeling is van een LED bar te maken van maximum 12 millimeter breed. Logischerwijs bleven dus slecht twee mogelijke types over: de SFH4715S en de SFH4750. Figuur 22 toont respectievelijk een witte COB LED, een witte SMD high power LED, een infrarode SMD high power LED, een infrarode LED met speciale plastic behuizing en een infrarode LED op een zeshoekige printplaat. De schaal is ongeveer 2:1. COB LED High Power LED CXA1304 XML2 SFH4715S SFH4750 SFH4535

Figuur 22: COB en high power LED's

27

3.2.1.4 Leverbaarheid Er zijn 4 grote spelers in de high power LED markt: CREE, Osram Opto Semiconductors, Bridgelux en Everlight. CREE is vooral gespecialiseerd in witte COB en witte high power LED’s, Osram Opto Semiconductors heeft high power LED’s in vele soorten en kleuren, Bridgelux is gespecialiseerd in witte COB LED’s en Everlight heeft vooral kleinere high power LED’s in zijn assortiment. Alle LED leveranciers waarmee ik contact genomen heb, raadden mij voor high power Infrarood LED’s, Osram Opto Semiconductors aan. Everlight is de enige andere producent van high power infrarood LED’s, maar zij hebben een veel kleiner assortiment en het vermogen van hun infrarood LED’s is een heel stuk minder dan die van Osram Opto Semiconductors. Er zijn natuurlijk andere, kleinere bedrijven die misschien zelf goedkopere infrarood LED’s hebben. Maar omdat dit project bestemd is voor Picanol, een machineproducent die gedurende verschillende jaren met dezelfde componenten moet kunnen werken, is het noodzakelijk om gestandaardiseerde LED’s bij een duurzame producent af te nemen. 3.2.1.5 Kostprijs Het is de bedoeling een goedkoop en gemakkelijk te reproduceren product te maken. Goedkopere LED’s hebben hierdoor voorrang op duurdere LED’s. De SFH4750 (de high power LED met plastic behuizing) kost 5% meer dan de SFH1415S (de SMD high power LED), dit is geen gigantisch groot verschil, maar wanneer de LED’s in grote hoeveelheden gekocht zullen worden, zal dit toch wel een rol spelen. Voor de uiteindelijke uitvoering van het prototype werd om deze reden gekozen om de SFH1415S LED te gebruiken.

3.2.2 Opstelling van de LED’s Het is de bedoeling om over een strook van ongeveer 12 centimeter egaal licht te verkrijgen. Met één LED lukt dit niet door zijn Lambertiaans straalpatroon. Dus is er een combinatie van LED’s nodig in de vorm van een LED bar.

Figuur 23: Oorspronkelijke LED bar

Figuur 23 toont de oorspronkelijke LED bar voor dit project. Om nu de ideale opstelling voor een nieuwe LED bar te berekenen moet er rekening gehouden worden met de verlichtingshoek en het schijnpatroon van LED’s. Dit is afhankelijk van de hoogte van de LED’s ten opzichte van het oppervlak. Verschillende van de hierop volgende tests werden met zowel de SFH4750 als de SFH1415S uitgevoerd, ondanks het feit dat er reeds beslist was om finaal met de SFH4715S verder te werken (Zie “3.2.1.5 Kostprijs”). De voornaamste reden hiervoor was dat de SFH4750 gemakkelijk te solderen was op een testbord.

28

3.2.2.1 Verlichtingshoek en schijnpatroon Bijna alle LED’s hebben een Lambertiaans schijnpatroon. De verlichtingshoek heeft dan een beeld van de breedte van dit schijnpatroon. De verlichtingshoek geeft de hoek aan waarbij het licht maximum 50% verzwakt is. Soms wordt ook de halve verlichtingshoek opgegeven. De meeste high power LED’s hebben een verlichtingshoek tussen de 90° en de 150°, voor COB LED’s ligt dit tussen de 120° en 150°. Een Lambertiaans schijnpatroon is een ongeveer parabolisch schijnpatroon. Dit wil zeggen dat er een parabolisch verband is tussen de lichtsterkte en de hoek gemeten vanaf de rechte loodrecht op de LED. Figuur 24 geeft dit verband weer voor een LED met een verlichtingshoek van 90°, 120° en 140°.

Relatieve Lichtsterkte (%)

120% 100% 80% 90

60%

120

40%

140

20% 0% 0

10

20

30

40

50

60

70

Hoek (°)

Figuur 24: Relatieve lichtsterkte in functie van de hoek

Deze grafiek kan voor elke LED teruggevonden worden in de datasheet van de LED. Om nu te weten waar welke hoeveelheid licht valt, moet deze grafiek omgezet worden naar verlichtingssterkte in functie van een afstand op het te belichting oppervlak. ∗

∗

∗

∗ tan

29

Figuur 25: Lumen, Candela en Lux

Figuur 25 geeft het verband tussen de verlichtingssterkte en de afstand gemeten op de oppervlakte met als 0 meter, het midden van dit oppervlak. Hierbij wordt verondersteld dat de lichtbron op 14 centimeter van het te belichten oppervlak staat, wat ook zo zal zijn bij het uiteindelijk product. Relatieve Verlichtingssterkte (%)

120% 100% 80% 90

60%

120

40%

140

20% 0% 0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

Afstand (m)

Figuur 26: Relatieve verlichtingssterkte in functie van afstand

Via Excel kan gemakkelijk een trendlijn berekend worden om verder te kunnen rekenen met deze data. Ik heb de grafieken voorgesteld met derde graad functies.

90° 120° 140°

122,91 102,27 114,20

33,556 29,610 38,158

3,0466 2,4805 0,8876

1,0192 1,0128 1,0103

Hierna kunnen ze gemakkelijk verschoven worden langs de x‐as en opgeteld worden om zo de lichtverdeling van een combinatie van LED’s op een zekere afstand van elkaar voor te stellen. 30

LED’s met een kleinere verlichtingshoek zullen meer licht geven in een specifieke richting. Hierdoor zal minder licht verloren gaan. Dit wil dus zeggen dat er een lichtbron met een minder aantal lumen zal nodig zijn die op zijn beurt minder vermogen zal verbruiken en minder warmte zal opwekken. Er bestaan ook LED’s met speciale lenzen, deze hebben dan een ander schijnpatroon. Deze LED’s komen niet veel voor en zijn een stuk duurder dan gewone LED’s met dezelfde specificaties. 3.2.2.2 Praktische uitwerking Om de verspreiding van het licht van een LED bar te berekenen werd een Excel rekenblad gemaakt. Daarbij kan simpelweg ingesteld worden hoe de LED’s opgesteld moeten worden en dan wordt de verspreiding van het licht berekend en grafisch weergegeven. De sprongen die de grafieken soms nemen komen doordat er voor elke LED maar 20 centimeter langs elke kant van de LED berekend wordt. Deze stappen liggen telkens buiten het belangrijkste gebied en spelen dus geen rol. In volgende figuren, testen en berekeningen wordt overal gebruik gemaakt met het schijnpatroon van een 120° LED, tenzij anders vermeld. In figuur 27 en 28 wordt de lichtverdeling getoond van één LED in het midden, berekend met het principe uitgelegd in “3.2.2.1 Verlichtingshoek en schijnpatroon”. Relatieve Verlichtingssterkte (%)

120% 100% 80% 60% 40% 20%

‐0.25

‐0.2

‐0.15

‐0.1

0% ‐0.05 0 0.05 ‐20% Afstand (m)

0.1

0.15

0.2

0.25

Relatieve Verlichtingssterkte (%)

Figuur 27: Lichtverdeling van één LED

‐0.06

120% 100% 80% 60% 40% 20% 0% ‐0.04

‐0.02

0

0.02

0.04

0.06

Afstand (m)

Figuur 28: Lichtverdeling van één LED

31

Hier zie je dat het licht meer dan 20% verzwakt is aan de zijkant van de foto (op 6 centimeter van het midden). De volgende figuren tonen de verspreiding van het licht van de LED bar die oorspronkelijk gebruikt werd voor dit project. Dit is een LED bar met 14 LED’s, elk op 18 millimeter van elkaar geplaatst (dezelfde LED bar als in figuur 23).

Figuur 29: Opstelling oorspronkelijke LED bar


120% 100% 80% 60% 40% 20% 0%

‐0.25

‐0.2

‐0.15

‐0.1

‐0.05

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

Afstand (m)


Figuur 30: Berekende lichtverdeling oorspronkelijke LED bar

‐0.06

120% 100% 80% 60% 40% 20% 0% ‐0.04

‐0.02

0

0.02

0.04

0.06

Afstand (m)

Figuur 31: Berekende lichtverdeling oorspronkelijke LED bar

Figuur 32 toont hetzelfde schijnpatroon als hierboven berekend, maar dan gemeten aan de hand van de helderheid op de foto.

Figuur 32: Gemeten lichtverdeling oorspronkelijke LED bar

Aan de zijkant van de foto zal 10% minder licht zijn dan in het midden. Dit is ook een van de voornaamste redenen waarom deze LED bar vervangen moest worden. 32

Het eerste idee was om bepaalde LED’s meer stroom te geven om zo op bepaalde plaatsen meer licht te krijgen zodat de lichtverdeling zou verbeteren. Al snel bleek dat dit niet praktisch uitvoerbaar was. Er zijn te veel variabelen: zowel positie, hoeveelheid LED’s en lichtstroom en er zouden te veel circuits nodig zijn om deze verschillende stromen te verkrijgen. Figuur 33 toont een testopstelling met potentiometers om lichtstromen te regelen.

Figuur 33: Testopstelling met regelbare lichtstroom

De andere mogelijkheid was om het alle LED’s op dezelfde stroom te laten werken, zodat alleen nog de hoeveelheid LED’s en de positie van de LED’s variabel zouden zijn. Om het oude principe te verbeteren werden de LED’s uit het midden verwijderd en dan naar de buitenkanten toe meer LED’s geplaatst.

Figuur 34: Opstelling met beter positionering van de LED's


120%

‐0.25

100% 80% 60% 40% 20% 0% ‐0.2

‐0.15

‐0.1

‐0.05

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

Afstand (m)

Figuur 35: Lichtverdeling berekening met beter positionering van de LED's

33


120%

‐0.06

100% 80% 60% 40% 20% 0% ‐0.04

‐0.02

0

0.02

0.04

0.06

Afstand (m)

Figuur 36: Lichtverdeling berekening met beter positionering van de LED's

Dit was al een serieuze verbetering tegenover de oorspronkelijke LED bar. Naar de buitenkanten toe is de verzwakking maar 5% meer. Door een tekort aan test LED’s werd getest met een opstelling met 8 LED’s, maar het principe blijft hetzelfde.

Figuur 37: Testopstelling met beter positionering van de LED's

Figuur 38: Opstelling testopstelling


120%

‐0.06

100% 80% 60% 40% 20% 0% ‐0.04

‐0.02

0

0.02

0.04

0.06

Afstand (m)

Figuur 39: Berekening lichtverdeling van de testopstelling

34

Figuur 40: Meting lichtverdeling van de testopstelling

Hier is de verzwakking 7%. Deze manier van werken was al een stuk beter dan de oorspronkelijke LED bar. Maar het probleem van de verzwakking naar buiten toe blijft. Om het even waar LED’s toegevoegd worden, er blijven altijd pieken en dalen. Daarom was er nood aan een andere manier om een LED bar te maken. Ik ontdekte het interessante fenomeen, dat 2 LED’s op een zekere afstand van elkaar, een relatief symmetrische functie creëren.

Figuur 41: Opstelling twee LED's


120%

‐0.25

100% 80% 60% 40% 20% ‐0.2

‐0.15

‐0.1

0% ‐0.05 0 0.05 ‐20% Afstand (m)

0.1

0.15

0.2

0.25

Figuur 42: Berekening lichtverdeling twee LED's

Door 2 keer deze combinatie van 2 LED’s in het buigpunt van de grafiek te laten samenvallen, krijg je een zeer mooie vlakke lichtverdeling.

Figuur 43: Testopstelling met vier LED's

Figuur 44: Opstelling met 4 LED's

In figuur 45 stelt de blauwe grafiek de linkse twee LED’s voor, de rode grafiek de rechtse twee LED’s en de groene grafiek de combinatie van de 4 LED’s.

35


120% 100% 80% 60% 40% 20%

‐0.25

‐0.2

‐0.15

‐0.1

0% ‐0.05 0 0.05 ‐20% Afstand (m)

0.1

0.15

0.2

0.25

Figuur 45: Berekening lichtverdeling met vier LED's


102% 100% 98% 96% 94% 92% 90%

‐0.06

‐0.04

‐0.02

0

0.02

0.04

0.06

Afstand (m)


Figuur 47: Gemeten lichtverdeling met vier LED's

Voor alle vorige berekeningen en grafieken werd gewerkt met LED’s met een verlichtingshoek van 120° (SFH4750). De opstelling voor LED’s met een verlichtingshoek van 90° (SFH4715S) ziet er als volgt uit.

Figuur 48: Tweede testopstelling met vier LED's

Figuur 49: Opstelling met 4 LED's

36


120% 100% 80% 60% 40% 20% 0%

‐0.25

‐0.2

‐0.15

‐0.1

‐0.05 0 0.05 ‐20% Afstand (m)

0.1

0.15

0.2

0.25



‐0.06

102% 100% 98% 96% 94% 92% ‐0.04

‐0.02

0

0.02

0.04

0.06

Afstand (m)


Figuur 52: Gemeten lichtverdeling met vier LED's

Dit principe gaf zeer mooie resultaten, daarom werd besloten om hiermee verder te werken. Een nadeel van deze manier van werken, is dat de LED’s naast het te belichten oppervlak liggen. Dit wil zeggen dat de LED bar relatief lang moet zijn ten opzichte van de oppervlakte die belicht moet worden en dat maar een klein deel van de energie die de LED dissipeerd, als lichtenergie op het te belichten oppervlak valt. Er gaat dus redelijk veel energie verloren. 3.2.2.3 Hoogte van de LED’s tegenover het oppervlak De berekeningen voor de positionering van de LED’s werden gemaakt voor een LED bar die op een hoogte van 14 centimeter boven het te belichten oppervlak zou staan. Als de hoogte van de LED bar geen 14 centimeter meer is, zal de lichtverdelingsfunctie veranderen en zullen de 2 lichtverdelingsfuncties van de LED’s aan beide kanten niet meer in hun buigpunten samenvallen.

37

Volgende grafieken tonen dezelfde LED bar respectievelijk op een hoogte 12cm, 14cm en 20cm van het te belichten oppervlak. Relatieve Verlichtingssterkte (%)

120%

‐0.25

100% 80% 60% 40% 20%

‐0.2

‐0.15

‐0.1

0% ‐0.05 0 0.05 ‐20% Afstand (m)

0.1

0.15

0.2

0.25

Figuur 53: LED bar op een hoogte van 12 centimeter


120%

‐0.25

100% 80% 60% 40% 20% 0% ‐0.2

‐0.15

‐0.1

‐0.05 0 0.05 ‐20% Afstand (m)

0.1

0.15

0.2

0.25



120%

‐0.25

100% 80% 60% 40% 20% ‐0.2

‐0.15

‐0.1

0% ‐0.05 0 0.05 ‐20% Afstand (m)

0.1

0.15

0.2

0.25


38

3.2.3 Gebruik van de LED’s Om een goede blijvende werking van de LED’s te garanderen moet rekening gehouden worden met het opwarmen van de LED’s. 3.2.3.1 Maximale belasting van de LED’s Bij maximum belasting zal er 1,05A (maximum stroom van de LED driver die uiteindelijk gebruikt werd) door de LED stromen, de forward voltage is dan ongeveer 3V. ∗ De LED zal dan 3.15 Watt dissiperen, waarvan ongeveer 75% als warmte in de aansluitingen en het koelvlak gedissipeerd zal worden, terwijl maar 25% van de energie licht zal worden. Als veiligheidsmarge wordt toch met het volledige gedissipeerd vermogen als warmte dissipatie gerekend.

Figuur 56: Schematische voorstelling van vermogen, temperatuur en thermische weerstand

Van de LED (SFH4715S) staat de thermische weerstand in de datasheet: 11 / Oppervlakte van het koelvlak op de PCB: 1.4 17.22 ∗ 10 17.22 12.3 Dikte van de PCB: 1.6 Thermische conductiviteit van FR‐4 PCB materiaal: 0.2 / Thermische weerstand vanaf het soldeerpunt tot de lucht:

∗

464.58 /W

Totale thermische weerstand: 39

475.58 / Maximum temperatuurverschil: 105 100 ∆

145°

40°

Het maximaal toelaatbaar vermogen wordt gegeven door het maximum temperatuurverschil tussen de junctie en de omgeving.

∆

~ .

/

0.21

210

Dit is ongeveer een factor 20 lager dan het maximale vermogen van de LED. 3.2.3.2 Oplossing Toch is het nodig dat de LED meer dan 3W krijgt terwijl een foto genomen wordt. De oplossing is om de LED’s alleen te laten branden wanneer de foto effectief genomen wordt. Om een foto te nemen is er een sluitertijd van 250µs nodig is en dit maximaal aan een snelheid van 20Hz (om de 50 milliseconden). ∗

. .

6.67%

De inschakeltijd van de LED mag maximaal 6.67% zijn, anders moet er een betere koeling voorzien worden die wel genoeg kan koelen. Het probleem met een grotere koeling is wel dat die veel meer plaats inneemt, terwijl er al zeer weinig plaats is in de aluminium behuizing. Veronderstel dat er gewerkt wordt met een inschakeltijd van maximaal 1% (500 microseconden om de 50 milliseconden) in een fabriek van 40°C en waarbij de LED maximaal belast wordt ( 1.05 en 3 ) tijdens de foto, dan is de junctietemperatuur: ∗ ∗ 40° 0.01 ∗ 3.15 ∗ 475.58K/W 54.98°C Aan deze junctietemperatuur zou een LED, volgens de producent, een levensduur van ongeveer 100 000 uur hebben.

40

VCC

RESET CONT

C13 10n Q5

R30 10k

R34 10k Q8

Q6 R32 10k

Q7

OUT

C15 470n

TRIG

GND

THRES

R26 10k

PEm

U3 CA555

OUTPUT

DISC

C14 10n

R31 10k

R29 1k

PCol

R28 10k

5V

R27 10k

24V

R33 10k

3.2.3.3 Beveiliging tegen oververhitting Het is de bedoeling om de inschakeltijd van de LED regelbaar te maken. Wanneer er een fout zou gebeuren in de aansturing, waarbij de LED meer dan 6.67% van de tijd zou branden aan maximaal vermogen, zou de LED kapot kunnen gaan. Het is vrij onwaarschijnlijk dat de frequentie waaraan LED zal moeten flitsen verhoogt, omdat dit de frequentie is waaraan het weefgetouw weeft. De kans dat de software, die hiervoor een signaal genereert deze frequentie zou verhogen is ook extreem klein. Het enige wat belangrijk is om te beveiligen, is de tijd dat de LED moet branden. Er werd dus besloten om de inschakeltijd via een 555 schakeling te limiteren tot 500 microseconden. Figuur 57 toont deze schakeling:

Figuur 57: 555 schakeling als beveiliging tegen oververhitting

De ingangen zijn aangesloten op de collector en emitter van een optocoupler (TLP181). Deze optocoupler zal het circuit sluiten, als het stuurprogramma die zowel de camera als de LED bar bedient, de LED’s wil doen branden. Van achter naar voren bekeken, bestaat de schakeling uit een met transistors gebouwde AND‐ poort (of eigenlijk NAND‐poort gevold door een NOT‐poort) met als ingangen, de puls van het ingangssignaal en een puls van 500 microseconden (die op hetzelfde moment hoog wordt als de ingangspuls). Deze puls van 500 microseconden wordt gemaakt met een 555 schakeling. Een zeer gekende 555 schakeling is de monostabiele 555 schakeling. Deze schakeling zal een puls ∗ . op de trigger ingang verlengen tot 1.1 ∗ Indien de ingangspuls langer is dan “ ”, zal de uitgangspuls van deze schakeling even lang zijn als de ingangspuls, wat niet gewenst is. Dus moet de ingangspuls verkort worden. Daarvoor dienen de 2 pull‐ups verbonden met de condensator bij de trigger ingang.

41

Figuur 58 toont de ingangspuls en de triggeringang (de triggeringang is een inverterende ingang).

Figuur 58: Ingangspuls en triggeringang

Figuur 59 toont dezelfde figuren, gemeten met een osciloscoop op een prototype van de LED bar.

Figuur 59: Ingangspuls en triggeringang gemeten op een prototype

500μ

Bij een ingangssignaal van 300 microseconden blijft de uitgang 300 microseconden:

42

Figuur 60: 300 microseconden ingangssignaal wordt 300 microseconden uitgangssignaal


43

Dezelfde puls van 300 microseconden gemeten met een oscilloscoop op een prototype LED bar: Ingangspulsen van de AND‐poort (ingang via optocoupler en uitgang van de 555):

Figuur 62: Ingangspuls in geel en uitgangspuls van de 555 in groen

Uitgangspuls van de AND‐poort:

Figuur 63: Uitgangspuls van de AND‐poort

44

Door een stoorsignaal afkomstig uit de vermogenkring blijft de ingangspuls van de AND‐poort te lang hoog waardoor de puls verlengd wordt tot 420 microseconden. Deze stoorsignalen worden verder beschreven in “3.3.2.2. Ruis”. Bij een ingangssignaal van 700 microseconden wordt de uitgang 500 microseconden:



45

Op een prototype LED bar wordt met een oscilloscoop een ingangspuls van 800 microseconden gemeten: Ingangspulsen van de AND‐poort (ingang via optocoupler en uitgang van de 555):

Figuur 66: Ingangspuls in geel en uitgangspuls van de 555 in groen

Uitgangspuls van de AND‐poort:

Figuur 67: Uitgangspuls van de AND‐poort

46

3.3 Aansturing 3.3.1 LED driver Om energiezuinig te werken en de lichtsterkte regelbaar te maken werd, besloten een LED driver te gebruiken. Zoals eerder beschreven in “3.2.2 Opstelling van de LED’s”, is er een veelvoud van 4 LED’s nodig. Om zeker te zijn dat de LED’s per 4 een egaal licht creëren, is het best om deze LED’s per 4 in serie te plaatsen, want zo krijgen ze alle 4 exact dezelfde stroom. Daarnaast moet de stroom door de LED’s regelbaar zijn en moeten ze snel aan‐ en uitgezet kunnen worden. De meeste producenten maken vooral LED drivers voor verlichting. Ze zijn dan ook meestal gemaakt voor een ingangsspanning van 90‐260V AC. Het assortiment in DC/DC LED drivers is heel wat kleiner. Toch zijn er nog altijd zeer veel verschillende LED drivers. Ze kunnen opgedeeld worden volgens werking (buck, boost, buck/boost, enzoverder), maximale stroom, maximale ingang en uitgangsspanning, mogelijkheid tot PWM en mogelijkheid tot analoge regelbaarheid. Voor deze masterproef: 24 26 10 12 0 1 Na wat gesprekken met leveranciers van Linear Technoligies en Integrated Silicon Solution Inc. werd besloten om de LT3476 LED driver van Linear Technologies te gebruiken. Deze paste het best bij dit project. 3.3.1.1 LT3476 Dit is een LED driver die zowel analoge dimming als PWM dimming kan doen. Deze LED driver heeft 4 kanalen, zo kunnen er 4 serie reeksen van LED’s aangehangen worden. Een serieschakeling van 4 LED’s heeft een forward voltage van tussen de 10V en de 12V. Op een weefgetouw is een 24V voeding voorzien. De driver kon getest worden via een demobord verkregen van een leverancier. Het demobord heeft de schakeling zoals figuur 68 weergeeft. De datasheet van de driver stelt ook voor om deze schakeling te gebruiken.

47

24V

U1 LT3476 Vin CAP1

SHDN Vadj1 PWM1

LT3476

RT

LED1

LED2

LED3

LED4

R20 0

L1 10u

LED1 SW1 SW1

Vc1

R11 22k

C10 1n

R6 0

GND

Regeling Trigger

R1 100m

R12 4.99k

5V

C5 330n

D1

Q2 R13 4.99k Q1

Figuur 68: Demobordschakeling van één kanaal

Er wordt hier maar één van de vier mogelijke kanalen gebruikt, het demobord heeft wel pinnen om, indien nodig, alle vier de kanalen te gebruiken.

Figuur 69: Demobord DC976A

48

Pinnen:

,0

1

1 1 1

1 2

,

max 16 ′ /

In de SW1 pin zit inwendig de schakelaar voor de buck converter. In de buck converter werking zal deze schakelaar zeer snel aan‐ en uitschakelen, om zo de stroom door de LED’s te regelen. Ook de pulsbreedtemodulatie kan geregeld worden via SW1, zolang er tijd genoeg is om de condensator (C4) te laten ontladen en opladen. Indien de pulsbreedtemodulatie een zeer hoge frequentie heeft, zou het kunnen dat de condensator (C4) niet snel genoeg kan opladen en ontladen om de LED’s aan en uit te zetten. Om dit te versnellen, kan de weerstand R20 weggehaald worden zodat de PWM dan gestuurd wordt via externe FET’s (Q1 en Q2). Het is een afwegen tussen snellere pulsbreedtemodulatie of nood aan meer componenten. In mijn prototype werd gekozen om beide mogelijkheden open te laten zodat er eventueel later nog gekozen kan worden. Extreem snel schakelen is voor dit project eigenlijk niet nodig. De 2 extra FET’s mogen eigenlijk weg om de LED bar goedkoper te maken. 3.3.1.2 Inwendige schakelaar In de driver zit inwendig de schakelaar die de buck converter regelt. Wanneer deze schakelaar schakelt, verbindt deze de SW1 pin met de massa. Dit is anders dan bij conventionele buck converters, waar de schakelaar voor een verbinding naar de ingangsspanning zorgt. Het nadeel van deze manier van werken, is dat geen van de uitgangspinnen van de buck converter de massa is, wat zeer onpraktisch is voor vele toepassingen. Het voordeel is dat de schakelaar, die meestal een FET is, gemakkelijker geschakeld kan worden. De schakelaar moet een bepaalde gate‐source spanning krijgen op de gate ingang om te schakelen. Waarbij meestal niet constant is. D Q S

VS

VG

VGS

G

Figuur 70: Schakelspanning FET

49

Er zijn heel wat componenten nodig om deze spanning dan de eventueel variabele spanning . Indien aan de massa hangt, is dit veel simpeler.

te creëren die

hoger moet liggen

3.3.1.3 Buck converter Figuur 71 toont een conventionele buck converter.

Figuur 71: Conventionele buck converter

Aangenomen dat de condensator de uitgangsspanning perfect afvlakt tot de constante spanning Vout, zal, als de schakelaar gesloten is, de stroom door de spoel stijgen en als de schakelaar open is, de stroom door de spoel dalen.

en

Een juiste keuze van de componenten zal ervoor zorgen dat de rimpel op deze stroom ongeveer verwaarloosbaar is. Door de inschakeltijd van de schakelaar te regelen zal het spanningsniveau geregeld worden. De uitgangsspanning is gelijk aan de spanning over de condensator die op zijn beurt gelijk is aan de spanning tussen de ingangsspanning, verminderd met de spanning over de spoel en de massa bij gesloten schakelaar of de spanning tussen massa en de spanning over de spoel bij open schakelaar. : Figuur 72 toont de werking van de buck converter van het demobord.

Figuur 72: Speciale buck converter

50

De buck converter werkt hier op dezelfde manier als de vorige. De uitgangsspanning is ook gelijk aan de spanning over de condensator. Maar hier is dit gelijk aan de spanning tussen de ingang en de massa, opgeteld met de spanning over de spoel bij gesloten schakelaar of de spanning tussen de ingangsspanning en de spanning over de spoel bij open schakelaar. : Er staat een sense‐weerstand (R1) in serie met de LED’s op de uitgang van deze buck converter. Deze zal de stroom meten door de LED’s. Met dit gegeven kan de LED driver de inschakeltijd voor de schakelaar aanpassen om zo de uitgangsspanning te verhogen of te verlagen en bijgevolg de stroom te regelen. 3.3.1.4 Mijn schakeling Hoofd schakeling: IN

GND

U2 78M05

24V

OUT

U1 LT3476 Vin CAP1

Vadj1

LED1

LT3476

LED2

LED3

LED4

R20 0

L1 10u

SW1

GND

RT

LED1

SW1

Vc1

R11 22k

555 schakeling

R1 100m

SHDN PWM1

R6 0 C10 1n

R36 10k

Q9

R24 4.7k

AEm

R25 20k C12 1u

R23 18k

R35 10k

R12 4.99k

ACol

C5 330n

D3

D1

Q2 R13 4.99k Q1

Figuur 73: Hoofdschakeling met één kanaal

VCC

RESET CONT

C13 10n Q5

R30 10k

R34 10k Q8

Q6 R32 10k

Q7

OUT

C15 470n

TRIG

GND

THRES

R26 10k

PEm

U3 CA555

OUTPUT

DISC

C14 10n

R31 10k

R29 1k

PCol

R28 10k

5V

R27 10k

24V

R33 10k

555 schakeling:

Figuur 74: 555 schakeling

51

Het buck converter gedeelte is ongeveer hetzelfde als op het demobord, maar er is een deel bijgekomen om de PWM en VADJ ingangen te verkrijgen. De schakeling zal via het weefgetouw 6 ingangen krijgen: ‐ Vin (24V) ‐ GND (0V) ‐ ADJ collector ‐ ADJ Emitter ‐ PWM collector ‐ PWM Emitter Zowel ADJ collector en emitter als PWM collector en emitter zijn rechtstreeks aangesloten op TLP181 optocouplers. Deze zitten in een module die zorgt voor de camera aansturing, de lichtaansturing en de verbinding met PC. 24V R TLP181 An ACol Ca AEm

24V ACol AEm

R TLP181 An PCol Ca PEm

PCol PEm GND

Figuur 75: Ingangssignalen

De ingangen van de schakeling kunnen allemaal zonder problemen spanningen tussen 0V en 24V aan. Zelfs de voeding mag omgekeerd aangesloten worden: dit zal niets kapot maken in de schakeling, maar zal wel een smeltzekering in het weefgetouw doorbranden. Een spanning hoger dan 35V over de ingang kan wel fataal zijn voor de spanningsregulator (U2), wat op zijn beurt ook de LED driver kapot zou kunnen maken. De AEm en de PEm ingang in mijn schakeling zijn ook gemaakt om 24V te gebruiken, zodat een fout in het aansluiten niets kapot maakt. Het fout aansluiten van ACol en PCol zou wel de optocouplers in de aansturingsmodule kapot kunnen maken, aangezien deze maximaal 7V emitter‐collector spanning aankan. ∗ De VADJ werkt als volgt: De LED driver zal de spanning over sense‐weerstand ( ∗ 1 0.1 ) regelen tot deze een tiende van de spanning op de VADJ ingang is. Bijgevolg is de spanning op VADJ dan gelijk aan de stroom door de LED’s. 0 0 0.5 0.5 1.05 1.05 52

24V

5V

ACol R25 20k VADJ C12 1u

R36 10k

Q9

R24 4.7k

R23 18k

R35 10k AEm

Figuur 76: VADJ schakeling

De optocoupler van VADJ creëert een PWM signaal. Door 24V op de collector te plaatsen, zal op de emitter een PWM signaal tussen 0V en 24V staan. Hierna volgt de transistor Q9 die dit 24V PWM signaal omzet naar een 5V PWM signaal. Dit 5V PWM signaal wordt met een spanningsdeler omgezet naar een 1.05V PWM signaal.

5 ∗

5 ∗

1.035

1.05

Door een simpele RC filter (R25 en C12) na deze spanningsdeler wordt dit 1.05V PWM signaal een analoog signaal tussen 0 en 1.05V volgens de inschakeltijd van het PWM signaal op de ingang. De stap om het 24V PWM signaal om te zetten naar een 5V PWM signaal is nodig omdat de nauwkeurigheid op de 24V spanning van de weefgetouwen zeer slecht is. Het zou 24V moeten zijn, maar het is eigenlijk 26V dat eventueel kan verlagen naarmate er meer verbruikers zijn. Voor de LED schakeling is dit geen probleem zolang de spanning hoger is dan de forward voltage van de LED’s. Maar voor de VADJ ingang is er een nauwkeurige spanning nodig. De spanningsregulator levert een 5V spanning nauwkeurig genoeg om deze ingang te maken. De PWM ingang wordt simpelweg gesloten als de LED moet branden en geopend als de LED uit mag. In plaats van deze ingang rechtstreeks met de PWM ingang van de LED driver te connecteren, zit hier nog een 555 schakeling tussen om de pulsen kort te houden zodat de LED’s zeker niet oververhitten. Dit werd besproken in “3.2.3.3 Beveiliging tegen oververhitting”. De vorige figuren toonden nog maar één kanaal met LED’s, eigenlijk zijn er twee kanalen. Hierbij worden VADJ1 en VADJ2 aan elkaar gehangen, PWM1 en PWM2 aan elkaar gehangen en zijn er twee buck converter schakelingen op SW1 en SW2 met elk 4 LED’s in serie.

53

Volledig Schema:

Figuur 77: Volledig schema

54

PCB design: Figuur 78: PCB top layer

Figuur 79: PCB bottom layer

Deze printplaat bestaat zo goed als volledig uit SMD componenten. Een prototype solderen is nogal moeilijk. Maar de SMD componenten maken het wel gemakkelijk om de LED bar in massa te produceren, mede omdat er maar op één kant van de PCB bestukt moet worden.

3.3.2 Testen van de LED bar Om te testen werden de optocoupler ingangen via een Arduino microcontroller, verbonden met optocouplers, aangestuurd. De ingangsspanning werd gegenereerd door een externe 24V voeding. 24V Arduino

Arduino

TLP181

24V

Pin6

An

PCol

ACol

Pin5

Ca

PEm

AEm

GND

TLP181 An

PCol

PCol

Ca

PEm

PEm GND

Figuur 80: Testopstelling

Bij de eerste testen op een prototype LED bar werden geen problemen vastgesteld. De LED’s brandden op de juiste momenten en de beveiligingsschakeling werkte als gewenst. 3.3.2.1 Pull‐down te kort Na wat metingen dook een eerste probleem op. De LED’s brandden altijd aan volle sterkte omdat het analoge dimmen niet werkte. Een meting op de AEm ingang toonde aan dat dit signaal altijd hoog bleef omdat er een pull‐down weerstand ontbrak. Gelukkig was deze gemakkelijk bij te plaatsen. Het baantje voor dit signaal liep namelijk vlak naast een massavlak.

55

5V

24V ACol

R23 18k

R35 10k

R25 20k

Q9

C12 1u

R

R24 4,7k

VADJ R36 10k

AEm

Figuur 81: Pull‐down tekort

Figuur 82: Pull‐down tekort

3.3.2.2 Ruis Nadat deze pull‐down weerstand toegevoegd was, werkte deze PWM ingang nu wel normaal. Maar het analoge dimmen bleek nog steeds niet goed te werken. Metingen toonden aan dat de buck converter veel hoog frequente ruis genereerde. Om alle LED’s te verbinden lopen er lange voedingsdraden over de hele LED bar. Deze voedingsdraden hebben allemaal deze ruis en lopen langs ingangsdraden voor de LED driver, de 5V spanning en de 24V ingangsspanning. De ruis is dan ook overal op deze andere draden terug te vinden. Over het algemeen is deze ruis niet erg. PWM signalen blijven normaal detecteren en voor de meeste componenten speelt deze ruis geen grote rol. Maar de VADJ ingang van de LED driver verwacht een constant DC signaal van 0 tot 1.05V. Metingen toonden aan dat op dit signaal een ruis met een top tot top waarde van 200mV zat, waardoor dit signaal niet goed ingelezen werd. De ruis kan op een aantal manieren verminderd worden: ‐ Ferite beats toevoegen om de ruis aan de bron te absorberen ‐ Condensators op de VADJ ingang plaatsen om de ruis daar te verminderen ‐ Een extra massavlak toevoegen

56

Zowel ferrite beats als extra condensators bleken amper te helpen, maar na het toevoegen van een extra massavlak was de ruis zo goed als verdwenen. Dit extra massavlak werd toegevoegd door kopertape op de achterkant van de printplaat te kleven en deze op zoveel mogelijk plaatsen met de massa te verbinden. Dit was een zeer snelle oplossing voor het probleem, maar het zou onmogelijk zijn om elke LED bar die gemaakt wordt van zo’n kopertape te voorzien. Een betere oplossing zou zijn om de printplaat opnieuw te ontwerpen. De nieuwe printplaat zal uit 4 lagen gemaakt moeten worden zodat er een massavlak en een ingangsspanningsvlak bijkomt om de ruis te absorberen.

Figuur 83: Ruis op de VADJ tijdens het branden van de LED's

57

Figuur 84: Geen ruis door het toevoegen van een massavlak

Figuur 85: Extra massavlak uit kopertape

3.3.2.3 Slecht gesoldeerd Er werden 2 prototypes gemaakt om te kunnen testen. Om kosten en tijd te sparen werden de prototypes voor de LED bar manueel gesoldeerd. Voor de meeste componenten was dit geen probleem, maar de LED’s en de LED driver hebben een ingewikkelde footprint waardoor deze zeer moeilijk te solderen zijn. De LED’s moesten een aantal keer opnieuw gesoldeerd worden tot ze eindelijk goed gepositioneerd waren. Maar op de Röntgen foto in figuur 86 kan je zien dat de LED’s soms nog steeds niet goed vast gesoldeerd zijn. De donkere vlakken duiden op een goede verbinding.

58

Figuur 86: Röntgenfoto van een gesoldeerde LED

Zowel bij het koelvlak als bij de linkse pin van de LED is er maar een kleine verbinding tussen de LED en de printplaat terwijl de rechtse pin wel goed vast gesoldeerd is. De LED driver zorgde voor nog een groter probleem. Deze heeft een massavlak en vele kleine pinnen.

Figuur 87: Footprint van de LED driver

Op de Röntgen foto van de LED drivers is te zien dat één van de twee scheef staat; dat er mogelijks een aantal kortsluitingen zijn en dat vele pinnen slecht verbonden zijn met de printplaat.

59

Figuur 88: Röntgenfoto van een gesoldeerde LED driver

Figuur 89: Röntgenfoto van een gesoldeerde LED driver

Bij het solderen zijn sommige pinnen waarschijnlijk ook oververhit geraakt aangezien de VADJ pin van het eerste prototype slecht werkt en de SW2 pin van het tweede prototype niet werkt. 3.3.2.4 Metingen ‐ De 24V ingangsspanning en de 5V spanning na de 78M05

Figuur 90: 24V in geel en 5V in groen

60

‐ PWM op de AEm ingang tegenover VADJ pin van de LED driver Bij een PWM van 25% is de VADJ ≈ 400mV:

Figuur 91: PWM van 25% zorgt voor 400mV bij VADJ

Bij een PWM van 50% is de VADJ ≈ 600mV:


61

Bij een PWM van 100% is de VADJ ≈ 1V:


‐ Spanning over een LED string van 4 LED’s

Figuur 94: Spanning over de LED's bij PWM van 25%

Op de AEm ingang werd hier een PWM van 25% geplaatst. De spanning over de LED’s is ongeveer 11V, wat overeenkomt met een stroom van ongeveer 200 tot 300mA door de LED’s. 62


Op de AEm ingang werd hier een PWM van 50% geplaatst. De spanning over de LED’s is ongeveer 11.4V, wat overeenkomt met een stroom van ongeveer 600mA door de LED’s.


Op de AEm ingang werd hier een PWM van 100% geplaatst. De spanning over de LED’s is ongeveer 11.9V, wat overeenkomt met een stroom van ongeveer 1000mA tot 1050mA door de LED’s. 63

3.3.3 Microcontroller of analoge schakeling Om de ingangen van de LED driver aan te sturen zijn er twee mogelijkheden. Ofwel via een microcontroller, ofwel analoog. Een microcontroller zou een makkelijke oplossing bieden. Een korte code kan een puls op de ingang naar de uitgang schrijven, maar deze onderbreken als ze langer wordt dan 500 microseconden. if (INPUT is HIGH) { if (INPUT pulse is shorter than 500µs) { Make OUPUT HIGH; } else { Make OUPUT LOW; } } else { Make OUPUT LOW; }

Er kunnen ook zeer gemakkelijk delen bij geprogrammeerd worden om de inschakeltijd bij te houden of zelfs de temperatuur van de LED’s te controleren. Een oplossing via microcontroller brengt helaas ook een aantal slechte punten met zich mee. Ten eerste is een microcontroller duurder dan een 555. En ten tweede, een schakeling met microcontroller is moeilijker te produceren dan een analoge schakeling. Om het gemakkelijk te kunnen produceren moet eerst de volledige schakeling op een PCB gezet worden en moet de microcontroller achteraf geprogrammeerd worden. Dit wil zeggen dat er een USB interface of een seriële ingang op de PCB zou moeten komen waarvoor er niet veel plaats is aangezien de PCB in een aluminium behuizing moet passen. Bijgevolg heb ik dan voor de analoge schakeling geopteerd.

64

3.4 Vormgeving Een weefgetouw werkt vaak in een zeer stoffige omgeving en bovendien moeten de machinebedienaars vaak aanpassingen doen vlakbij de LED’s. De LED’s moeten daarom in een robuuste en gesloten behuizing zitten. De meeste behuizingen voor LED bars op de markt hebben ongeveer dezelfde afmetingen. Ze zijn meestal gemaakt om een PCB van 12mm breed erin te schuiven, te klikken of te plakken.

Figuur 97: LED bar behuizing

Om redenen van standaardisatie heb ik mijn printplaat ook ontworpen met een breedte van 12 millimeter. Op deze behuizingen kan je over het algemeen ook een doorzichtige plastic cover schuiven. Deze cover kan zowel in gewoon doorzichtig plastic als in melkglas zijn. Indien dit in melkglas is, kan dat voor extra diffuus licht zorgen, maar het zal ook zeer veel licht tegenhouden. Daarom werd er besloten een doorzichtige cover te gebruiken.

65

4 Resultaat Figuur 98 toont een van de prototype LED bars in een aluminium behuizing.

Figuur 98: LED bar in behuizing

Er zijn 6 ingangskabels, deze moeten later nog vervangen worden door 1 kabel met 6 draadjes in.

Figuur 99: Ingangen van de LED bar

Tussen Vin en GND moet een spanning tussen de 18 en de 30V komen. ACol en AEm moeten respectievelijk met de collector en de emitter van een optocoupler geconnecteerd worden, waarmee een PWM signaal binnengebracht wordt om de lichtopbrengst van de LED bar te regelen. PCol en PEm moeten respectievelijk met de collector en de emitter van een optocoupler geconnecteerd worden, waarmee een triggerpuls binnengebracht wordt om de LED bar aan en uit te zetten. Indien meer dan één LED bar gebruikt wordt, mogen hun respectievelijke ingangspinnen rechtsreeks met elkaar verbonden worden, aangezien deze toch op dezelfde momenten met dezelfde lichtopbrengst zullen moeten branden.

66

5 Toekomstperspectief Aangezien de LED bar prototypes nog niet volledig werken, zouden deze opnieuw maakt moeten worden. Dit nieuw ontwerp moet volgende punten bevatten: ‐ Pull‐down weerstand bij de AEm ingang ‐ Een print uit 4 lagen met een massavlak en een ingangsspanningsvlak tegen de ruis ‐ Solderen met een “stencil” en een oven zodat de componenten beter geplaatst zijn ‐ Een extra LED met zichtbaar licht, om aan te duiden wanneer de LED’s branden Bijkomend kan er ook nog verder beveiligd worden tegen oververhitting door eventueel een temperatuursensor toe te voegen, die de schakeling stopt wanneer deze te warm wordt.

67

6 Besluit Er is uiteindelijk geen volledig werkend prototype. Van het eerste prototype werkt de lichtintensiteit regeling niet en van het tweede prototype werken maar de helft van de LED’s. Toch zijn prototypes een goede “proof of concept”. Er werd een LED bar ontworpen om als camerabelichting te dienen. De LED bar werkt op de 24V voeding van de machine, is robuust, trilbestendig en zit in een stevige behuizing. Het te belichting oppervlak wordt uniform belicht dankzij de LED opstelling en de kleur van het weefsel speelt geen rol door infrarood LED’s gebruikt. De lichtopbrengst is ook regelbaar en de LED bar wordt al flitsend aangestuurd om minder energie te verbruiken en minder warmte op te wekken. Om de warmtehuishouding nog extra te verbeteren en te beveiligen zit er een stuurschakeling bij de LED driver om ervoor te zorgen dat de LED’s maximaal 500 microseconden aan één stuk door branden. Mits een paar kleine verbeteringen is hierbij een duurzame LED bar ontworpen die aan alle verwachtingen voldoet.

68

Referenties [1] J. H. Bogaert, Van Straling tot Verlichting.: Coaster Publications bvba. [2] De lichtabsorptie door een voorwerp en zijn kleur. [Online]. http://biochemistry.wur.nl/Hb/mengKleuren.html [3] Wouter Vandevelde, "Ontwerp en realisatie van een efficiënt belichtingssysteem voor microdisplays," Universiteit Gent, Gent, 2004. [4] Dangerous Prototypes. [Online]. http://dangerousprototypes.com/docs/Basic_Light_Emitting_Diode_guide [5] Arno Keppens, "Modelling and evaluation of high‐power light‐emitting diodes for general lighting," Katholieke Universiteit Leuven, Leuven, 2010. [6] R. Sinnadurai, M.K.A.A. Khan, M. Azri, and V. Vikneswaran, "Development of White LED Down Light for Indoor Lighting," University Selangor, Kuala Lumpur, 2012. [7] Osram Opto Semiconductors, "Basics of LEDs," 2010. [8] Osram Opto Semiconductors, "Thermal Characteristics of LEDs," 2011. [9] CREE, "Cree® XLamp® Long‐Term Lumen Maintenance," 2013. [10] Bulong Wu, Xiaobing Luol, and Sheng Liu, "Effect Mechanism of Moisture Diffusion on LED Reliability," Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, 2010. [11] CREE, "Thermal Management of Cree® XLamp® LEDs," 2013. [12] Osram Opto Semiconductors, "Basics of Heat Transfer," 2011. [13] Osram Opto Semiconductors, "Internal Thermal Resistance of LEDs," 2011. [14] Osram Opto Semiconductors, "Electrical Characteristics of LEDs," 2011. [15] CREE, "Cree® XLamp® XM‐L LEDs," 2013. [16] CREE, "Cree® XLamp® LED Electrical Overstress," 2013. [17] (2005) Wikipedia. [Online]. http://en.wikipedia.org/wiki/File:PlanckianLocus.png [18] CREE, "Cree® XLamp® XQ‐D LED," 2013. [19] Sam Muylle, "OLED lighting driver," Hogeschool West‐Vlaanderen, Kortrijk, 2012. [20] Wen‐Kuan Lin, Chii Maw Uang, Ping‐Chieh Wang, and Zu‐Sheng Ho, "LED Strobe Lighting for Machine Vision," I‐Shou University, Taiwan, 2013. [21] Osram Opto Semiconductors, "Driving LEDs: Resistors and Linear Drivers," 2011. [22] Ray‐Lee Lin, Yi‐Chun Chang, and Chia‐Chun Lee, "Optimal Design of LED Array for Single‐Loop CCM Buck–Boost LED Driver," National Cheng Kung University, Taiwan, 2011. [23] Muhammad Ikram Mohd Rashid, Suliana Ab Ghani, and Mohamad Fakhrudin Sulaiman Mustahim, "Development of High Power LED Driver Using LTSpice Software," University Malaysia Pahang, Pahang, 2013. [24] Osram Opto Semiconductors, "Driving LEDs: Switch Mode Drivers," 2011. [25] Texas Instruments, "LM3401 Hysteretic PFET Controller for High Power LED Drive," 2007. [26] Linear Technology, "LT3755/LT3755‐1/LT3755‐2, 40VIN, 75VOUT LED Controllers," 2008. [27] Texas Instruments, "AC‐DC Offline LED Driver," 2010. [28] (2006) Wikipedia. [Online]. http://en.wikipedia.org/wiki/File:Bayer_pattern_on_sensor.svg [29] CMOSIS NV, "2.2 Megapixel machine vision CMOS image sensor," 2011. [30] CMOSIS NV, "CMV2000 Datasheet," 2011. [31] Cambridge in Colour. (2013) http://www.cambridgeincolour.com/tutorials/lens‐ corrections.htm. 69

Figuren Figuur 1: Opstelling ............................................................................................................................. 1 Figuur 2: Golflengte en kleur [2] ......................................................................................................... 2 Figuur 3: Lumen, Candela en Lux ........................................................................................................ 4 Figuur 4: Werking van een LED [4] ...................................................................................................... 6 Figuur 5: Lichtrendement in functie van het jaartal [5] ...................................................................... 7 Figuur 6: Relatieve lichtstroom in functie van de forward current van een CREE XM‐L [15] ............. 8 Figuur 7: Forward current in functie van de forward voltage van een CREE XM‐L [15] ..................... 9 Figuur 8: Relatieve lichtstroom in functie van de junctie temperatuur van een CREE XM‐L [15] .... 10 Figuur 9: Chromaciteitsverandering in functie van de soldeerpunttemperatuur [11] ..................... 10 Figuur 10: Chromaciteit, golflengte en kleurtemperatuur [17] ........................................................ 12 Figuur 11: Relatieve lichtstroom in functie van de verlichtingshoek van een CREE XM‐L [15] ........ 14 Figuur 12: Relatieve lichtstroom in functie van de verlichtingshoek van een CREE XQ‐D [18] ........ 14 Figuur 13: Leaded, SMD, superflux, high power en COB LED’s......................................................... 15 Figuur 14: Buck, Boost, Buck‐Boost, Flyback en SEPIC ..................................................................... 18 Figuur 15: Voorbeeldapplicatie LM3401 [25] ................................................................................... 19 Figuur 16: Voorbeeldapplicatie LT3755‐2 [26] ................................................................................. 19 Figuur 17: Voorbeeldapplicatie LM3444 [27] ................................................................................... 20 Figuur 18: Bayer color filter [28] ....................................................................................................... 21 Figuur 19: Color spectral response i.f.v. Wavelength [30] ................................................................ 22 Figuur 20: Camerasensor en lens ...................................................................................................... 23 Figuur 21: Vignettering, distorsie en kleurenschifting [31] .............................................................. 23 Figuur 22: COB en high power LED's ................................................................................................. 27 Figuur 23: Oorspronkelijke LED bar .................................................................................................. 28 Figuur 24: Relatieve lichtsterkte in functie van de hoek .................................................................. 29 Figuur 25: Lumen, Candela en Lux .................................................................................................... 30 Figuur 26: Relatieve verlichtingssterkte in functie van afstand ........................................................ 30 Figuur 27: Lichtverdeling van één LED .............................................................................................. 31 Figuur 28: Lichtverdeling van één LED .............................................................................................. 31 Figuur 29: Opstelling oorspronkelijke LED bar .................................................................................. 32 Figuur 30: Berekende lichtverdeling oorspronkelijke LED bar .......................................................... 32 Figuur 31: Berekende lichtverdeling oorspronkelijke LED bar .......................................................... 32 Figuur 32: Gemeten lichtverdeling oorspronkelijke LED bar ............................................................ 32 Figuur 33: Testopstelling met regelbare lichtstroom ....................................................................... 33 Figuur 34: Opstelling met beter positionering van de LED's ............................................................. 33 Figuur 35: Lichtverdeling berekening met beter positionering van de LED's ................................... 33 Figuur 36: Lichtverdeling berekening met beter positionering van de LED's ................................... 34 Figuur 37: Testopstelling met beter positionering van de LED's ...................................................... 34 Figuur 38: Opstelling testopstelling .................................................................................................. 34 Figuur 39: Berekening lichtverdeling van de testopstelling.............................................................. 34 Figuur 40: Meting lichtverdeling van de testopstelling .................................................................... 35 Figuur 41: Opstelling twee LED's....................................................................................................... 35 Figuur 42: Berekening lichtverdeling twee LED's .............................................................................. 35 Figuur 43: Testopstelling met vier LED's ........................................................................................... 35 Figuur 44: Opstelling met 4 LED's ..................................................................................................... 35 Figuur 45: Berekening lichtverdeling met vier LED's ........................................................................ 36 Figuur 46: Berekening lichtverdeling met vier LED's ........................................................................ 36 Figuur 47: Gemeten lichtverdeling met vier LED's ............................................................................ 36 Figuur 48: Tweede testopstelling met vier LED's .............................................................................. 36 Figuur 49: Opstelling met 4 LED's ..................................................................................................... 36 70

Figuur 50: Berekening lichtverdeling met vier LED's ........................................................................ 37 Figuur 51: Berekening lichtverdeling met vier LED's ........................................................................ 37 Figuur 52: Gemeten lichtverdeling met vier LED's ............................................................................ 37 Figuur 53: LED bar op een hoogte van 12 centimeter ...................................................................... 38 Figuur 54: LED bar op een hoogte van 14 centimeter ...................................................................... 38 Figuur 55: LED bar op een hoogte van 20 centimeter ...................................................................... 38 Figuur 56: Schematische voorstelling van vermogen, temperatuur en thermische weerstand ...... 39 Figuur 57: 555 schakeling als beveiliging tegen oververhitting ........................................................ 41 Figuur 58: Ingangspuls en triggeringang ........................................................................................... 42 Figuur 59: Ingangspuls en triggeringang gemeten op een prototype .............................................. 42 Figuur 60: 300 microseconden ingangssignaal wordt 300 microseconden uitgangssignaal ............ 43 Figuur 61: 300 microseconden ingangssignaal wordt 300 microseconden uitgangssignaal ............ 43 Figuur 62: Ingangspuls in geel en uitgangspuls van de 555 in groen ................................................ 44 Figuur 63: Uitgangspuls van de AND‐poort ...................................................................................... 44 Figuur 64: 700 microseconden ingangssignaal wordt 500 microseconden uitgangssignaal ............ 45 Figuur 65: 700 microseconden ingangssignaal wordt 500 microseconden uitgangssignaal ............ 45 Figuur 66: Ingangspuls in geel en uitgangspuls van de 555 in groen ................................................ 46 Figuur 67: Uitgangspuls van de AND‐poort ...................................................................................... 46 Figuur 68: Demobordschakeling van één kanaal .............................................................................. 48 Figuur 69: Demobord DC976A .......................................................................................................... 48 Figuur 70: Schakelspanning FET ........................................................................................................ 49 Figuur 71: Conventionele buck converter ......................................................................................... 50 Figuur 72: Speciale buck converter ................................................................................................... 50 Figuur 73: Hoofdschakeling met één kanaal ..................................................................................... 51 Figuur 74: 555 schakeling.................................................................................................................. 51 Figuur 75: Ingangssignalen ................................................................................................................ 52 Figuur 76: VADJ schakeling ............................................................................................................... 53 Figuur 77: Volledig schema ............................................................................................................... 54 Figuur 78: PCB top layer .................................................................................................................... 55 Figuur 79: PCB bottom layer ............................................................................................................. 55 Figuur 80: Testopstelling ................................................................................................................... 55 Figuur 81: Pull‐down tekort .............................................................................................................. 56 Figuur 82: Pull‐down tekort .............................................................................................................. 56 Figuur 83: Ruis op de VADJ tijdens het branden van de LED's .......................................................... 57 Figuur 84: Geen ruis door het toevoegen van een massavlak .......................................................... 58 Figuur 85: Extra massavlak uit kopertape ......................................................................................... 58 Figuur 86: Röntgenfoto van een gesoldeerde LED ........................................................................... 59 Figuur 87: Footprint van de LED driver ............................................................................................. 59 Figuur 88: Röntgenfoto van een gesoldeerde LED driver ................................................................. 60 Figuur 89: Röntgenfoto van een gesoldeerde LED driver ................................................................. 60 Figuur 90: 24V in geel en 5V in groen ............................................................................................... 60 Figuur 91: PWM van 25% zorgt voor 400mV bij VADJ ...................................................................... 61 Figuur 92: PWM van 50% zorgt voor 600mV bij VADJ ...................................................................... 61 Figuur 93: PWM van 1000% zorgt voor 1000mV bij VADJ ................................................................ 62 Figuur 94: Spanning over de LED's bij PWM van 25% ....................................................................... 62 Figuur 95: Spanning over de LED's bij PWM van 50% ....................................................................... 63 Figuur 96: Spanning over de LED's bij PWM van 100% ..................................................................... 63 Figuur 97: LED bar behuizing ............................................................................................................ 65 Figuur 98: LED bar in behuizing ........................................................................................................ 66 Figuur 99: Ingangen van de LED bar ................................................................................................. 66

71

LED bar als egale industriële camera belichting

Recommend Documents